基于运动基座的无人机降落控制方法、计算机可读存储介质及控制设备与流程

本发明属于航空飞行器控制方法，具体涉及一种基于运动基座的复合构型固定翼无人机降落控制方法、计算机可读存储介质及控制设备。

背景技术：

常规无人机一般分为固定翼和多旋翼两种。固定翼无人机具有飞行速度快、续航时间长和航程远的优点，但在起降过程中需要利用跑道进行滑跑，而且无法进行空中悬停；多旋翼无人机可以进行垂直起降，对起降场地没有特殊要求，也可以进行空中悬停，但是飞行速度和续航时间都难以和固定翼无人机相比。

衍生出的复合构型固定翼无人机是在常规固定翼无人机的布局基础上增加多旋翼机构，使固定翼无人机具备垂直起降的能力。现有的复合式固定翼无人机起降过程中均采用多旋翼方式进行起降，无人机在空中飞行的过程中多旋翼关闭，采用固定翼模式飞行，此类无人机既具备固定翼无人机飞行速度快、续航时间长和航程远的优点，又具备多旋翼无人机可以垂直起降的优点，使用灵活方便。

但目前复合构型固定翼无人机起降过程中均采用多旋翼方式进行起降，依赖固定位置点，且复合式固定翼无人机采用多旋翼方式进行飞行的过程中，由于飞机自身结构复杂，水平方向的最大飞行速度一般只能维持在5m/s左右，同时，机动能力有限，难以在一个运动的基座平台上进行起降。

技术实现要素：

本发明的主要目的是解决现有技术中复合构型固定翼无人机起降过程中依赖固定位置点，难以在一个运动的基座平台上进行降落的技术问题，提供一种基于运动基座的复合构型固定翼无人机降落控制方法、计算机可读存储介质及控制设备。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于运动基座的无人机降落控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1，无人机抵近运动基座

无人机接收到降落指令后飞行至运动基座后方，维持预设伴飞高度，直至无人机飞行至与运动基座的相对距离到达预设距离后，开启旋翼电机转换为复合飞行模式；

步骤2，无人机引导伴飞

维持无人机飞行航向与运动基座的航向一致，无人机飞抵至运动基座上的降落点正上方；然后，无人机维持预设伴飞高度，与运动基座维持相对静止，航向与运动基座保持一致，直至无人机接收到下降指令；

步骤3，无人机降高

无人机的旋翼控制无人机的姿态、航向、高度、垂直速度，以及无人机和运动基座的横向相对位置；同时，由无人机的发动机控制无人机与运动基座的纵向相对位置，以及无人机与运动基座的相对速度；使无人机垂直向下降落，且在水平方向与运动基座保持相对静止，无人机航向与运动基座保持一致，直至无人机到达运动基座上的降落点；

步骤4，无人机完成降落

无人机检测到触地后，关闭旋翼电机和发动机，完成降落。

进一步地，所述降落指令和下降指令均是由地面控制站发出的。

进一步地，所述步骤1具体为，所述运动基座上搭载运动基座定位导引设备，运动基座定位导引设备接收无人机和运动基座的位置、速度以及航向信息，运动基座定位导引设备通过计算获得无人机与运动基座实时的相对位置信息和相对速度信息，发送至地面控制站，再由地面控制站通过数据链系统向无人机发送，无人机根据接收的相对位置信息和相对速度信息，通过无人机的旋翼和发动机控制飞行，使无人机维持预设伴飞高度，飞行至与运动基座的相对距离到达预设相对距离，开启旋翼电机转换为复合飞行模式。

进一步地，步骤2中，所述无人机飞抵运动基座上的降落点正上方具体为，所述运动基座上搭载运动基座定位导引设备，运动基座定位导引设备接收无人机和运动基座的位置、速度以及航向信息，运动基座定位导引设备通过计算获得无人机与运动基座实时的相对位置和速度信息，发送至地面控制站，再由地面控制站通过数据链系统向无人机发送，无人机根据接收的相对位置和速度信息，通过无人机的旋翼和发动机控制飞行，使无人机飞抵至运动基座上降落点正上方。

进一步地，步骤2中，所述通过无人机的旋翼和发动机控制飞行，使无人机飞抵至运动基座上降落点正上方的具体方法为：无人机的旋翼控制无人机的姿态、航向、飞行高度，以及无人机和运动基座的横向相对位置；同时，由无人机的发动机控制无人机与运动基座的纵向相对位置，以及无人机与运动基座的相对速度；无人机由运动基座的后方飞抵运动基座上的降落点正上方，然后与运动基座保持相对静止，无人机航向与运动基座保持一致，无人机保持水平飞行并维持预设伴飞高度。

进一步地，步骤2中，所述通过无人机的旋翼和发动机控制飞行，使无人机飞抵至运动基座上的降落点正上方的具体方法为：无人机的旋翼控制无人机的姿态、航向、飞行高度，以及无人机和运动基座的横向相对位置；同时，由无人机的发动机控制无人机与运动基座的纵向相对位置，以及无人机与运动基座的相对速度；无人机的旋翼控制无人机滚转机动至与运动基座的预设横向相对距离，然后通过发动机控制无人机向运动基座方向飞行，使无人机飞抵运动基座降落点正侧方；无人机到达运动基座降落点正侧方后，通过发动机控制无人机与运动基座的纵向相对位置及相对速度在预设门限值范围内并维持此状态，随后无人机利用旋翼控制无人机滚转机动至运动基座上的降落点正上方，然后与运动基座保持相对静止，无人机的航向与运动基座保持一致。

进一步地，所述无人机的旋翼控制无人机的姿态、航向、高度、垂直速度，以及无人机和运动基座的横向相对位置均为闭环控制，所述由无人机的发动机控制无人机与运动基座的纵向相对位置，以及无人机与运动基座的相对速度均为闭环控制，能够进行实时控制，控制更加准确。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特殊之处在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述方法的步骤。

一种控制设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特殊之处在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的基于运动基座的无人机降落控制方法能够实现复合式固定翼无人机在中低速运动基座上进行降落，能够拓展复合式固定翼无人机的应用环境。将降落分为抵近运动基座、引导伴飞、降高和完成降落四个步骤：抵近过程中，无人机接收到降落指令先飞至运动基座后方，直至到达预设相对距离后开启旋翼电机；然后在旋翼和发动机共同控制下进行复合状态飞行，同时飞抵至运动基座上的降落点正上方后伴飞；在收到下降指令后垂直降落至降落点，然后关闭旋翼电机和发动机，完成降落。在无人机从飞行到降落至运动基座上降落点的过程中，通过旋翼和发动机的混合控制，充分利用了复合式固定翼无人机利用旋翼进行垂直起降的优势，同时利用了固定翼无人机的高速飞行能力，从而实现了复合式固定翼无人机在中低速运动基座上的降落。

2.本发明中飞抵至运动基座上的降落点正上方有两种模式能够适应多种环境下的降落，可以根据降落时周边的障碍情况选择从运动基座后方或运动基座侧方飞抵降落点，使无人机降落的适用范围更广泛。

3.本发明的控制方法具体能够依靠地面控制站、运动基座定位导引设备和数据链实现，精确的实现了控制方法。

4.本发明的旋翼和发动机在抵近运动基座、引导伴飞和降高过程中均对无人机进行闭环控制，根据无人机的实时信息进行实时控制，控制更加准确。

5.本发明的计算机可读存储介质，可将上述控制方法作为程序进行存储，计算机程序被处理器执行时能够实现上述控制方法，最终达到对无人机降落进行控制的目的。

6.本发明的控制设备，可将上述控制方法作为程序进行存储，处理器可执行该程序实现对无人机的控制。

附图说明

图1为本发明实施例一和实施例二的流程示意图；

图2为本发明实施例一和实施例二的动态示意图(图中虚线为无人机运动轨迹，图中箭头为运动基座前进方向)；

图3为本发明实施例一和实施例二中无人机降落至运动基座的两种方式示意图(图中箭头为运动基座前进方向)；

图4为本发明图1的具体流程示意图；

图5为本发明实施例一中无人机飞抵运动基座降落点正上方的流程示意图；

图6为本发明实施例二中无人机飞抵运动基座降落点正上方的流程示意图；

其中，1-运动基座；2-无人机。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

实施例一

如图1、图2和图4，基于运动基座的无人机降落控制方法，包括以下步骤：

s1，无人机抵近运动基座

无人机2接收到降落指令后飞行至运动基座1后方，维持预设伴飞高度，直至无人机2飞行至与运动基座1的距离到达预设相对距离，开启旋翼电机转换至复合飞行模式；

s2，无人机引导伴飞

如图5，无人机2的旋翼控制无人机的姿态、航向、飞行高度，以及无人机2和运动基座1的横向相对位置；同时，由无人机2的发动机控制无人机2与运动基座1的纵向相对位置，以及无人机2与运动基座1的相对速度；无人机2由运动基座1的后方飞抵运动基座上1的降落点正上方，飞抵过程中无人机2的航向与运动基座1保持一致，无人机2保持水平飞行并维持预设伴飞高度。无人机2飞抵至运动基座1上的降落点上方后，无人机2维持预设伴飞高度，与运动基座1维持相对静止，航向与运动基座1保持一致，直至无人机2接收到下降指令；

s3，无人机降高

无人机2的旋翼控制无人机的姿态、航向、高度、垂直速度，以及无人机2和运动基座1的横向相对位置；同时，由无人机2的发动机控制无人机2与运动基座1的纵向相对位置，以及无人机2与运动基座1的相对速度；使无人机2垂直向下降落，且在水平方向与运动基座1保持相对静止，无人机2的航向与运动基座1保持一致，直至无人机2到达运动基座1上的降落点；

s4，无人机完成降落

无人机2检测到触地后，关闭旋翼电机和发动机，完成降落。

上述方法适用于无人机降落时，运动基座后方无障碍，无人机能够从运动基座后方飞抵降落点正上方。

实施例二

基于运动基座的无人机降落控制方法，无人机飞抵运动基座上的降落点正上方的方式如下：

如图6，无人机2的旋翼控制无人机的姿态、航向、飞行高度，以及无人机2和运动基座1的横向相对位置；同时，由无人机2的发动机控制无人机2与运动基座1的纵向相对位置，以及无人机2与运动基座1的相对速度；无人机2的旋翼控制无人机滚转机动至与运动基座1的预设横向相对距离，然后通过发动机控制无人机2向运动基座1方向飞行，使无人机飞抵运动基座1降落点正侧方；无人机到达运动基座1降落点正侧方后，通过发动机控制无人机2与运动基座1的纵向相对位置及相对速度在预设门限值范围内并维持此状态，随后无人机2利用旋翼控制无人机滚转机动至运动基座1上的降落点正上方，然后保持无人机2与运动基座1相对静止，无人机2的航向与运动基座1保持一致。

上述方法适用于无人机降落时，运动基座侧方无障碍，无人机能够从运动基座侧方飞抵降落点正上方。

如图3，对应示出了实施例一和实施例二中的两种引导伴飞方式，实施例一对应是无人机2沿a方向飞抵降落点，即运动基座1的后方；实施例二对应是无人机2沿b方向飞抵降落点，即运动基座1的侧方。

其中，降落指令和下降指令均是由地面控制站发出的。实际应用时，也可通过其他方式进行控制。

运动基座上搭载运动基座定位导引设备，对无人机的控制具体是采用如下方式实现的：步骤1中，运动基座定位导引设备接收无人机和运动基座的位置、速度以及航向信息，运动基座定位导引设备通过计算获得无人机与运动基座实时的相对位置信息和相对速度信息，发送至地面控制站，再由地面控制站通过数据链系统向无人机发送，无人机根据接收的相对位置信息和相对速度信息，通过无人机的旋翼和发动机控制飞行，使无人机维持预设伴飞高度，飞行至与运动基座的距离到达预设相对距离，开启旋翼电机转换为复合飞行模式。步骤2中无论是以哪种方式飞抵降落点正上方，均由运动基座定位导引设备接收无人机和运动基座的位置、速度以及航向信息，运动基座定位导引设备通过计算获得无人机与运动基座实时的相对位置信息和相对速度信息，发送至地面控制站，再由地面控制站通过数据链系统向无人机发送，无人机根据接收的相对位置信息和相对速度信息，通过无人机的旋翼和发动机控制飞行。也可以是动基座定位导引系统获取运动基座和无人机的位置、速度和航向信息，完成部分计算分析，同时无人机也完成部分信息处理。本发明中的数据传送计算方法并不受限，可根据实际搭载设备进行合理调整。

结合图4，对基于运动基座的无人机降落控制方法做详细解释：

复合式固定翼无人机在进行运动基座降落的过程中，首先需要通过动基座定位导引设备获取无人机和运动基座的相对位置和相对速度信息，同时也需要获取无人机和运动基座相对于地面的绝对位置和速度信息，这些信息将作为降落过程中的重要导航信息。无人机降落的过程中需保持无人机航向与运动基座平台的运动方向一致。

当无人机接收到降落指令后，无人机飞行控制系统将控制无人机进入降落航线，无人机此时工作在固定翼模式中，接收到降落指令前，无人机按固定翼模式飞行。

无人机降落前，首先通过降落航线将无人机引导至运动基座行进方向的后方，保持无人机与运动基座的航向一致，当无人机飞至与运动基座处于同一直线上后，无人机开始减速飞行，同时降低高度至预设伴飞高度。

无人机维持当前高度沿动基座运动方向抵近动基座，当无人机飞至距动基座直线距离等于预设相对距离时，无人机开启多旋翼并减速，使无人机的飞行模式由固定翼模式转换为复合模式。在水平面上，定义沿动基座运动方向为纵向，垂直于运动方向为横向，此时利用多旋翼提供无人机飞行所需的升力，利用多旋翼产生滚转力矩使无人机进行滚转，从而产生横向机动，通过发动机产生的前向推力控制无人机进行相对动基座的纵向机动。

当无人机完成模式转换后，无人机进入引导伴飞状态，同时调整无人机与运动基座的相对位置，引导无人机到达降落点上方，根据动基座平台的结构及环境情况可选择实施例一和实施例二的两种模式进行引导伴飞：

实施例一的方式：无人机与运动基座保持同向，无人机向前飞行逼近运动基座，此时根据运动基座定位导引设备提供的相对位置和速度进行闭环控制。无人机在逼近运动基座的过程中利用位置闭环控制维持横向位置偏差控制在预设门限范围内；同时，利用发动机产生的推力使无人机继续向动基座飞行，降低纵向位置偏差。当无人机飞至运动基座降落点上方，水平位置偏差小于设置的门限值后，无人机转入伴飞状态。

实施例二的方式：无人机与运动基座保持同向，无人机向前飞行逼近运动基座，此时根据运动基座定位导引设备提供的相对位置和速度进行闭环控制。无人机在逼近运动基座的过程中利用位置闭环控制维持横向位置偏差为期望的横向相对位置偏差值，同时，利用发动机产生的推力使无人机继续向运动基座飞行，降低纵向位置偏差，无人机从运动基座的左侧或右侧固定偏差位置向前逼近动基座。当无人机的纵向位置偏差小于设置的门限值后，通过相对位置闭环控制使纵向位置偏差控制在期望的门限范围内，同时令无人机产生横向机动，利用相对位置闭环控制使横向位置偏差减小并最终控制在预设门限范围内，此时无人机从运动基座的侧向朝着运动基座运动，当无人机飞至运动基座降落点上方，水平位置偏差小于设置的门限值后，无人机转入伴飞状态。

当无人机进入伴飞状态后，利用动基座定位导引设备提供的相对位置和相对速度进行位置和速度闭环控制，使无人机的位置始终跟随运动基座上降落点的位置，无人机的速度始终跟随运动基座的运动速度。在闭环控制的过程中，当横向位置产生偏差时，利用多旋翼产生滚转，从而产生横向机动，消除横向偏差，实现横向位置闭环；当纵向位置产生偏差时，多旋翼始终控制俯仰姿态保持水平，利用发动机产生的推力增大或减小产生纵向机动，消除纵向偏差，实现纵向位置闭环；当无人机的高度发生偏差时，通过多旋翼产生的升力控制无人机在高度方向上产生机动，消除高度偏差，实现高度闭环；当航向产生偏差时，利用多旋翼产生扭矩控制无人机调整航向，消除航向偏差，实现航向闭环。通过水平位置闭环和高度闭环以及航向闭环，使无人机和动基座在一定范围内保持相对静止，从而实现无人机的伴飞。

当无人机收到下降指令后，无人机维持水平位置和航向的闭环控制，将目标高度由预设伴飞高度设置为降落点高度，此时目标高度低于无人机的当前高度，无人机将开始下降，无人机在下降过程中始终维持水平位置闭环和下沉速度闭环，最大下沉速度控制在一定的安全范围之内。

当无人机检测到自己降落到动基座平台上后，关闭旋翼和发动机，完成动基座的降落。

本发明的降落控制方法可在计算机可读存储介质中应用，计算机可读存储介质存储有计算机程序，上述起飞控制方法可作为计算机程序存储于计算机可读存储介质中，计算机程序被处理器执行时实现上述降落控制方法的各步骤。

另外，本发明的降落控制方法还可以应用于终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述计算机程序时实现本发明降落控制方法的步骤。此处的终端设备可以是计算机、笔记本、掌上电脑，及各种云端服务器等计算设备，处理器可以是通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路或其他可编程逻辑器件等。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。