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CN109398744A - 一种系留无人机系统及其控制方法 - Google Patents

一种系留无人机系统及其控制方法 Download PDF

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余志勇
张利强
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Abstract

本发明涉及一种系留无人机系统及其控制方法，系留无人机系统包括无人机平台、降落伞装置、系留线缆和自动收放线装置，无人机平台上设置有降落伞装置，且降落伞装置与控制无人机平台的控制器电连接；系留线缆的一端与无人机平台连接，系留线缆的另一端缠绕在自动收放线装置上；还包括安全装置，安全装置包括通过无线连接的发射器和接收器，发射器设置在无人机平台上，且与控制器电连接，接收器设置在自动收放线装置上，且与自动收放线装置电连接。在无人机平台发生故障时，本发明能够使无人机平台在减速下落的同时，保证其落地点在可视可控的范围内，避免无人机平台遭遇二次损伤，同时保证落地点人员和财产的安全。

Description

一种系留无人机系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种系留无人机系统及其控制方法。
背景技术
系留无人机是一种具备超长滞空能力的无人机系统，其空中平台通过系留线缆连接地面供电装置，从而获得源源不断的电力供应，能够实现24小时以上的定点悬停，可以作为长时间浮空平台，挂载多种任务载荷，执行长时间的空中任务。系留无人机的体积和重量通常比较大，与地面设备的配合关系相对紧密，一旦系统出现故障，并且无人机的安全保护功能失灵，大重量的空中设备失控坠落，将对事发地点的人员和设备造成严重的安全威胁。
因此，对系留无人机安全性能的保护成为行业内关注的焦点问题。现有的无人机降落伞技术能够提供体积小、重量轻、满足多旋翼无人机使用场景的降落伞装置。当无人机飞行过程中发生故障，动力系统失灵，需要紧急迫降时，降落伞通过姿态感应或控制指令开伞，增大空中设备的浮力，大幅降低下降速度，使无人机的落地速度保持在安全范围内。保持安全的落地速度一方面可以降低无人机的损伤程度，保证空中设备的安全，另一方面可以延长无人机坠落时间，使地面人员能够及时做出应急反应，保证地面人员和设备的安全。
传统的无人机降落伞能够使无人机的落地速度下降至安全范围内，但无法控制无人机的落地点。如遇大风天气，降落伞受到强气流干扰的影响，可能飘落到目视范围以外的地点，或者高压线、湖泊、公路等危险地带，容易使无人机遭遇二次损伤，同时威胁到落地点人员和财产的安全，使降落伞失去安全保护的意义。
因此，亟需提供一种系留无人机系统及其控制方法以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种系留无人机系统及其控制方法，以解决现有技术中存在的无人机落地点不可控的技术问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种系留无人机系统，包括无人机平台、降落伞装置、系留线缆和自动收放线装置，所述无人机平台上设置有所述降落伞装置，且所述降落伞装置与控制所述无人机平台的控制器电连接；所述系留线缆的一端与所述无人机平台连接，所述系留线缆的另一端缠绕在所述自动收放线装置上，所述自动收放线装置用于控制所述系留线缆的放出和收回；
还包括安全装置，所述安全装置包括通过无线连接的发射器和接收器，所述发射器设置在所述无人机平台上，且与所述控制器电连接，所述接收器设置在所述自动收放线装置上，且与所述自动收放线装置电连接。
作为系留无人机系统的优选技术方案，所述控制器为集成于所述无人机平台上的控制单元、或者为在地面上无线操控所述无人机平台的遥控器。
作为系留无人机系统的优选技术方案，所述自动收放线装置放置于地面的起降平台上。
作为系留无人机系统的优选技术方案，所述自动收放线装置包括卷筒、伺服电机和伺服驱动器，所述系留线缆缠绕于所述卷筒上，所述卷筒与所述伺服电机驱动连接，所述伺服电机与所述伺服驱动器电连接，所述伺服驱动器与所述接收器电连接。
作为系留无人机系统的优选技术方案，所述自动收放线装置还包括排线机构，所述排线机构与所述伺服电机驱动连接，缠绕于所述卷筒上的所述系留线缆穿过所述排线机构后与所述无人机平台连接。
作为系留无人机系统的优选技术方案，所述无人机平台上设置有航空级连接器，所述系留线缆与所述无人机平台连接的一端连接于所述航空级连接器。
作为系留无人机系统的优选技术方案，所述自动收放线装置上设置有光电滑环，所述系留线缆缠绕于所述自动收放线装置的一端通过所述光电滑环与供电装置电连接。
一种如上任一项所述的系留无人机系统的控制方法，当无人机平台出现故障时，控制器向降落伞装置发出开伞指令，同时向发射器发出收线指令，发射器接在收到收线指令后通过无线通信将收线指令传送给接收器，接收器在接收到收线指令后控制自动收放线装置执行收线动作，至无人机平台落地后自动收放线装置停止收线。
本发明相比于现有技术的有益效果：
本发明提供的系留无人机系统，在无人机平台发生故障时，控制器向降落伞装置发出开伞指令，同时向发射器发出收线指令，发射器接收到收线指令后通过无线通信将收线指令传送给接收器，接收器在接收到收线指令后与自动收放线装置中的伺服驱动器通信，伺服驱动器控制伺服电机执行收线动作，至无人机平台落地后自动收放线装置停止收线。从而使无人机平台减速下落的同时，保证其落地点在可视可控的范围内，避免无人机平台遭遇二次损伤，同时保证落地点人员和财产的安全。
附图说明
图1是本发明系留无人机系统的结构示意图；
图2是本发明系留无人机系统的工作原理示意图；
图3是本发明无人机平台下落过程示意图。
图中：
10-无人机平台；20-降落伞装置；30-系留线缆；40-自动收放线装置；50- 起降平台；61-发射器；62-接收器。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
如图1所示，本发明提供一种系留无人机系统，包括无人机平台10、降落伞装置20、自动收放线装置40、系留线缆30以及安全装置。无人机平台10上设置有降落伞装置20，且降落伞装置20与控制无人机平台10的控制器电连接，控制器可以是集成于无人机平台10上的控制单元(即飞行控制器)，也可以是在地面上无线操控无人机平台10的遥控器。系留线缆30的一端与无人机平台 10连接，系留线缆30的另一端缠绕在自动收放线装置40上，自动收放线装置 40能够实现系留线缆30的放出和收回；自动收放线装置40集成在起降平台50中。安全装置包括发射器61和接收器62，发射器61和接收器62通过无线连接，发射器61设置在无人机平台10上，且与控制器电连接，接收器62设置在自动收放线装置40上，且与自动收放线装置40电连接。
具体地，自动收放线装置40包括卷筒、伺服电机和伺服驱动器，卷筒与伺服电机驱动连接，伺服电机与伺服驱动器电连接，伺服驱动器与接收器62电连接。卷筒用于缠绕系留线缆30，伺服驱动器和伺服电机用于驱动卷筒转动，以放出或收回系留线缆30。进一步地，该自动收放线装置40还包括排线机构，排线机构与伺服电机驱动连接，缠绕在卷筒上的系留线缆30穿过排线机构后与无人机平台10连接。
无人机平台10上设置有航空级连接器，系留线缆30与无人机平台10连接的一端连接于航空级连接器。自动收放线装置40上设置有光电滑环，系留线缆 30缠绕于自动收放线装置40的一端通过光电滑环与供电装置电连接。
如图2所示，本发明提供的系留无人机系统的控制方法为，当无人机平台 10发生故障时，控制器向降落伞装置20发出开伞指令，同时向发射器61发出收线指令，发射器61接收到收线指令后通过无线通信将收线指令传送给接收器 62，接收器62在接收到收线指令后与自动收放线装置40中的伺服驱动器通信，伺服驱动器控制伺服电机执行收线动作，至无人机平台10落地后自动收放线装置40停止收线。从而使无人机平台10减速下落的同时，保证其落地点在可视可控的范围内。
下面详细介绍下本发明的无人机平台10在发生故障时的下落过程。
参见图3，假设当无人机平台10使用降落伞装置20迫降到地面时，没有被收回的系留线缆30的长度为L，无人机平台10的落地点到起降平台50的距离为D，由于系留线缆30对无人机平台10的活动范围有一定的限制，所以D＜L，亦即无人机平台10的落地点在以起降平台50为中心，半径小于L的圆形范围内。因此求解L，即可估算无人机平台10的落地位置。
无人机平台10依靠降落装置伞迫降的过程中，需要经历三个运动过程：自由落体运动、减速运动和匀速运动。根据测试数据，无人机平台10使用降落伞装置20迫降时，从无人机平台10发生故障到降落伞装置20全部打开需要的时间t1＝2s，这个过程中无人机平台10下落近似于自由落体运动，下降速度V1和下降高度H1可求：
V1＝g·t1
降落伞装置20完全打开之后，无人机平台10进入减速运动过程。根据实验数据，通常经过3s时间无人机平台10达到匀速。因此在减速运动过程中，已知t2＝3s。通过对空气阻力积分，可以得到在空气阻力条件下的速度方程。根据空气阻力公式：其中，C为空气阻力系数，该值通常是实验值；ρ为空气密度，正常的干燥空气可取1.293kg/m2；S为降落伞装置20 的迎风面积；V为无人机平台10与空气的相对速度。假设空气不动，则无人机平台10与空气的相对速度V即为无人机平台10的下落速度v，可得到无人机平台10下落的加速度公式为：
通过求解微分方程可得下落速度与时间的关系：
则该运动过程中的速度公式也可写成：
解
得
即下落位移与速度的关系：
根据上述公式可知，在减速运动阶段，无人机平台10下落的高度到达匀速时的速度
经过自由落体运动和减速运动两个过程后，无人机平台10进入匀速下落的过程，此时的下落速度V3＝V2，下落高度为H3＝H-H1-H2，下落时间为
设定安全装置在紧急情况下控制自动收放线装置40的收线速度为Vs，则无人机平台10从发生故障到下落至地面时，自动收放线装置40回收的系留线缆 30长度为：
L1＝Vs·(t1+t2+t3)
则剩余未回收的系留线缆30长度为：
L＝H-L1
带入上述算式可得：
L＝H-Vs·(t1+t2+t3)
用上述算式可以估算无人机平台10落地点的大致位置，例如当重力加速度 g＝9.8m/s2，飞行高度H＝300m，无人机平台10及降落伞装置20的总重量为 40kg，降落伞装置20的迎风面积为S＝12m2，安全装置在故障时启动的收线速度Vs＝4.8m/s时，可依据上述计算过程对无人机平台10的落地位置进行推算：
V1＝g·t1＝9.8×2＝19.6(m/s)
当H2＝0时，V2＝V1＝19.6(m/s)，则可求得C0＝6.37，将所有参数带入公式可得：
H3＝H-H1-H2＝300-19.6-9＝271.4(m)
L1＝Vs·(t1+t2+t3)＝4.8×(2+3+54.3)＝284.64(m)
L＝H-L1＝300-284.64＝15.36(m)
由上述计算过程可知，此案例中无人机平台10的落地点在以起降平台50 为中心，半径约15m的范围内。
由此可见，本发明提供的系留无人机系统及其控制方法，能够在无人机平台10发生故障时，保证无人机平台10的落地点在可视可控的范围内，避免无人机平台10遭遇二次损伤，同时保证落地点人员和财产的安全。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种系留无人机系统，包括无人机平台(10)、降落伞装置(20)、系留线缆(30)和自动收放线装置(40)，所述无人机平台(10)上设置有所述降落伞装置(20)，且所述降落伞装置(20)与控制所述无人机平台(10)的控制器电连接；所述系留线缆(30)的一端与所述无人机平台(10)连接，所述系留线缆(30)的另一端缠绕在所述自动收放线装置(40)上，所述自动收放线装置(40)用于控制所述系留线缆(30)的放出和收回；
其特征在于，还包括安全装置，所述安全装置包括通过无线连接的发射器(61)和接收器(62)，所述发射器(61)设置在所述无人机平台(10)上，且与所述控制器电连接，所述接收器(62)设置在所述自动收放线装置(40)上，且与所述自动收放线装置(40)电连接。
2.根据权利要求1所述的系留无人机系统，其特征在于，所述控制器为集成于所述无人机平台(10)上的控制单元、或者为在地面上无线操控所述无人机平台(10)的遥控器。
3.根据权利要求1所述的系留无人机系统，其特征在于，所述自动收放线装置(40)放置于地面的起降平台(50)上。
4.根据权利要求1所述的系留无人机系统，其特征在于，所述自动收放线装置(40)包括卷筒、伺服电机和伺服驱动器，所述系留线缆(30)缠绕于所述卷筒上，所述卷筒与所述伺服电机驱动连接，所述伺服电机与所述伺服驱动器电连接，所述伺服驱动器与所述接收器(62)电连接。
5.根据权利要求4所述的系留无人机系统，其特征在于，所述自动收放线装置(40)还包括排线机构，所述排线机构与所述伺服电机驱动连接，缠绕于所述卷筒上的所述系留线缆(30)穿过所述排线机构后与所述无人机平台(10)连接。
6.根据权利要求1所述的系留无人机系统，其特征在于，所述无人机平台(10)上设置有航空级连接器，所述系留线缆(30)与所述无人机平台(10)连接的一端连接于所述航空级连接器。
7.根据权利要求1所述的系留无人机系统，其特征在于，所述自动收放线装置(40)上设置有光电滑环，所述系留线缆(30)缠绕于所述自动收放线装置(40)的一端通过所述光电滑环与供电装置电连接。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的系留无人机系统的控制方法，其特征在于，当无人机平台(10)出现故障时，控制器向降落伞装置(20)发出开伞指令，同时向发射器(61)发出收线指令，发射器(61)接在收到收线指令后通过无线通信将收线指令传送给接收器(62)，接收器(62)在接收到收线指令后控制自动收放线装置(40)执行收线动作，至无人机平台(10)落地后自动收放线装置(40)停止收线。
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