CN116101509B - 一种无人机刹车能量限制下的着陆适应性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机刹车能量限制下的着陆适应性分析方法，涉及无人机着陆分析领域，包括：首先根据无人机着陆重量和着陆机场海拔高度所对应的大气密度计算无人机接地速度；然后根据无人机接地速度计算着陆接地动能；再根据刹车能量类型对比着陆接地动能与刹车能量的大小关系；进而根据对比结果，确定最大刹车速度；再根据最大刹车速度分段计算着陆滑跑距离；最后通过比较着陆滑跑距离与着陆机场跑道可用长度来确定适应于该着陆机场的着陆重量；本发明，为无人机总体重量设计以及无人机刹车保护逻辑设计提供数据支撑、为无人机刹车装置选型提供参考；在确保飞行安全的基础上，还能为无人机飞行计划的制定提供有力数据支撑，符合实际情况。

Description

一种无人机刹车能量限制下的着陆适应性分析方法

技术领域

本发明涉及无人机着陆分析领域，具体涉及一种无人机刹车能量限制下的着陆适应性分析方法。

背景技术

本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

与有人机着陆时飞行员人为踩刹车制动不同，无人机着陆滑跑时通过自主逻辑来控制开始刹车时间，由刹车能量大小决定。无人机在平原机场或小重量着陆情况下，着陆速度小，刹车能量远大于着陆接地时刻动量，无人机能够在稳定着陆后立即使用刹车减速滑跑，可使着陆滑跑距离最短化；但无人机在高原机场或大重量着陆情况下，着陆速度大，刹车能量大于着陆接地动能，因此在设计无人机自主滑跑逻辑时需要根据无人机刹车装置的能量来计算最大刹车速度，刹车装置厂家为了刹车的安全使用，按照正常能量、最大能量、极限能量对刹车能量进行分类，因此需要计算不同刹车能量下的最大刹车速度。无人机着陆时，根据任务需求选择最大刹车速度，并以此速度作为开始刹车的速度，此速度不大于着陆接地速度，以达到延长刹车使用寿命、避免刹车能量超限引发安全事故的目的。

当最大刹车速度受到限制时，无人机着陆接地后需通过滚动摩擦力减阻、气动力减阻减速到最大刹车速度才可使用刹车进行减速滑跑，此过程中，无人机滑跑减速率低、滑跑距离长。而机场跑道长度有限，为避免无人机着陆滑跑时冲出跑道，需要限制无人机着陆重量，并对无人机刹车前的滑跑距离和无人机刹车后的滑跑距离进行评估，以确保着陆飞行安全。

由于无人机着陆重量的不同、着陆机场海拔高度的不同、无人机刹车能量大小的不同、选定的最大刹车速度不同，无人机着陆滑跑距离也变得不同。为了在安全使用无人机的基础上，最大程度地发挥刹车减速效果，需要一种方法计算出无人机任一重量、任一着陆机场，在刹车能量限制内的着陆滑跑距离，并根据着陆机场的跑道长度来判断适应于该机场的无人机着陆重量。

发明内容

本发明的目的在于：针对背景技术中提出的问题，提供了一种无人机刹车能量限制下的着陆适应性分析方法，首先根据无人机着陆重量、着陆机场海拔高度所对应大气密度计算无人机接地速度；再根据无人机接地速度计算着陆动能，通过对比着陆动能与刹车能量的大小关系确定最大刹车速度，然后根据最大刹车速度分段计算着陆滑跑距离，最后通过比较着陆滑跑距离与机场跑道可用长度来确定适应于该机场的着陆重量；根据以上方法可得不同海拔高度机场在刹车能量大于接地动能情况下的无人机最大着陆重量；不同刹车能量限制下无人机任一着陆重量在不同海拔高度机场的最大刹车速度，并根据最大刹车速度分段计算着陆滑跑距离；可分析在不同刹车能量限制下无人机能够适应不同海拔高度机场跑道长度的安全着陆重量；从而解决了上述问题。

本发明的详细技术方案如下：

一种无人机刹车能量限制下的着陆适应性分析方法，包括：

步骤S1：根据无人机着陆重量和着陆机场海拔高度所对应的大气密度计算无人机接地速度；

步骤S2：根据无人机接地速度计算着陆接地动能；

步骤S3：根据刹车能量类型对比着陆接地动能与刹车能量的大小关系；

步骤S4：根据对比结果，确定最大刹车速度；

步骤S5：根据最大刹车速度分段计算着陆滑跑距离；

步骤S6：通过比较着陆滑跑距离与着陆机场跑道可用长度来确定适应于该着陆机场的着陆重量。

进一步地，所述步骤S1，包括：

其中：

为无人机接地速度；

为无人机着陆重量；

为重力加速度；

为着陆机场海拔高度/>所对应的大气密度；

为无人机机翼面积；

为无人机着陆接地时的升力系数。

进一步地，所述步骤S2，包括：

其中：

为着陆接地动能。

进一步地，所述步骤S3，包括：

为全机刹车装置吸收的总能量，即为刹车能量；其中，/>表示刹车能量的种类，所述/>包括：正常使用能量/>、最大使用能量/>、极限使用能量/>；

根据任务需求选择刹车能量种类，并比较与/>的大小关系。

进一步地，所述步骤S4，包括：

若，则最大刹车速度/>；

若，则根据以下公式计算最大刹车速度：

其中；

为在所选刹车能量种类限制下的最大刹车速度；

为刹车能量系数。

进一步地，所述步骤S5，包括：

若，着陆滑跑距离通过如下公式计算：

其中：

为整个滑跑过程的距离；

为自由滑跑段距离；

为刹车减速滑跑段距离。

进一步地，自由滑跑段距离通过如下公式计算：

其中：

为无人机着陆接地后自由滑跑的时间；

刹车减速滑跑段距离通过如下公式计算：

其中：

为速度为/>时的推力；

为/>时的气动阻力；

为/>时的气动升力；

为滚动摩擦系数；

为刹车摩擦系数。

进一步地，所述步骤S5，还包括：

若，着陆滑跑距离通过如下公式计算：

其中：

为整个滑跑过程的距离；

为自由滑跑段距离；

为滚动减速滑跑段距离；

为刹车减速滑跑段距离。

进一步地，自由滑跑段距离通过如下公式计算：

其中：

为无人机着陆接地后自由滑跑的时间；

滚动减速滑跑段距离通过如下公式计算：

其中：

为速度为/>时的推力；

为/>时的气动阻力；

为/>时的气动升力；

为滚动摩擦系数；

刹车减速滑跑段距离通过如下公式计算：

其中：

为速度为/>时的推力；

为/>时的气动阻力；

为/>时的气动升力；

为滚动摩擦系数；

为刹车摩擦系数。

进一步地，所述步骤S6，包括：

为了无人机着陆滑跑时不冲出跑道，根据着陆机场跑道情况来定义跑道可用长度；

其中：

为正常滑行道长度；

为无端保险道情况下自定义的缓和系数，/>；

比较与/>的大小；

若，则需要通过减少着陆重量来减少滑跑距离；

若，则表示无人机着陆重量为/>时，能够在该机场安全着陆。

与现有的技术相比本发明的有益效果是：

1、一种无人机刹车能量限制下的着陆适应性分析方法，可计算不同海拔高度机场在无人机刹车能量大于接地动能情况下的最大着陆重量。

2、一种无人机刹车能量限制下的着陆适应性分析方法，可计算不同刹车能量限制下，无人机任一着陆重量在不同海拔高度机场的最大刹车速度，并根据最大刹车速度分段计算着陆滑跑距离。

3、一种无人机刹车能量限制下的着陆适应性分析方法，可分析在不同刹车能量限制下，无人机能够适应不同海拔高度机场跑道长度的安全着陆重量。

4、一种无人机刹车能量限制下的着陆适应性分析方法，能为无人机总体重量设计以及无人机刹车保护逻辑设计提供数据支撑、为无人机刹车装置选型提供参考；在确保飞行安全的基础上，还能为无人机飞行计划的制定提供有力数据支撑，符合实际情况。

附图说明

图1为一种无人机刹车能量限制下的着陆适应性分析方法流程图；

图2为实施例二中不同刹车能量下的不同海拔高度着陆机场最大着陆重量结果图；

图3为实施例二中无人机不同着陆重量下的最大刹车速度结果图。

具体实施方式

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

请参阅图1，一种无人机刹车能量限制下的着陆适应性分析方法，具体包括如下步骤：

步骤S1：根据无人机着陆重量和着陆机场海拔高度所对应的大气密度计算无人机接地速度；

步骤S2：根据无人机接地速度计算着陆接地动能；

步骤S3：根据刹车能量类型对比着陆接地动能与刹车能量的大小关系；即选择刹车能量类型，对比选择的刹车能量类型所对应的值与着陆接地动能的大小关系；需要说明的是，所述刹车能量类型以及所对应的值由刹车装置厂家提供，属于能够直接获取的数据；

步骤S4：根据对比结果，确定最大刹车速度；

步骤S5：根据最大刹车速度分段计算着陆滑跑距离；

步骤S6：通过比较着陆滑跑距离与着陆机场跑道可用长度来确定适应于该着陆机场的着陆重量。

在本实施例中，具体的，所述步骤S1中，近似认为无人机接地瞬间升力等于重力；根据无人机接地迎角、无人机气动数据库，得到着陆接地时的升力系数；根据着陆机场海拔高度得到对应的大气密度；则所述步骤S1，包括：

其中：

为无人机接地速度；

为无人机着陆重量；

为重力加速度；

为着陆机场海拔高度/>所对应的大气密度；

为无人机机翼面积；

为无人机着陆接地时的升力系数。

在本实施例中，具体的，所述步骤S2，包括：

其中：

为着陆接地动能。

在本实施例中，具体的，所述步骤S3，包括：

为全机刹车装置吸收的总能量，即为刹车能量；其中，/>表示刹车能量的种类，所述/>包括：正常使用能量/>、最大使用能量/>、极限使用能量/>；

根据任务需求选择刹车能量种类，并比较与/>的大小关系。

在本实施例中，具体的，所述步骤S4，包括：

若，则最大刹车速度/>；

若，则根据以下公式计算最大刹车速度：

其中；

为在所选刹车能量种类限制下的最大刹车速度；

为刹车能量系数。

在本实施例中，具体的，所述步骤S5，包括：

若，无人机分为自由滑跑段和刹车减速滑跑段；当无人机着陆接地后会自由滑跑一段时间/>才会稳定滑跑；因此，着陆滑跑距离通过如下公式计算：

其中：

为整个滑跑过程的距离；

为自由滑跑段距离；

为刹车减速滑跑段距离。

在本实施例中，具体的，根据工程经验一般很短，因此假设自由滑跑时间段飞行速度不变，因此，自由滑跑段距离/>通过如下公式计算：

其中：

为无人机着陆接地后自由滑跑的时间；

自由滑跑结束后，无人机通过滚动摩擦力减阻、气动力减阻、刹车压力减阻减速到停止为止；因此，刹车减速滑跑段距离通过如下公式计算：

其中：

为速度为/>时的推力；

为/>时的气动阻力；

为/>时的气动升力；

为滚动摩擦系数；

为刹车摩擦系数。

在本实施例中，具体的，所述步骤S5，还包括：

若，无人机分为自由滑跑段、无刹车减速滑跑段（即为滚动减速滑跑段距离）、刹车减速滑跑段；因此，着陆滑跑距离通过如下公式计算：

其中：

为整个滑跑过程的距离；

为自由滑跑段距离；

为滚动减速滑跑段距离；

为刹车减速滑跑段距离。

在本实施例中，具体的，自由滑跑段距离通过如下公式计算：

其中：

为无人机着陆接地后自由滑跑的时间；

滚动减速滑跑段距离通过如下公式计算：

其中：

为速度为/>时的推力；

为/>时的气动阻力；

为/>时的气动升力；

为滚动摩擦系数；

刹车减速滑跑段距离通过如下公式计算：

其中：

为速度为/>时的推力；

为/>时的气动阻力；

为/>时的气动升力；

为滚动摩擦系数；

为刹车摩擦系数。

在本实施例中，具体的，所述步骤S6，包括：

大部分机场跑道都含端保险道，根据机场使用性质的不同，部分机场跑道无端保险道；因此，为了无人机着陆滑跑时不冲出跑道，根据着陆机场跑道情况来定义跑道可用长度；

其中：

为正常滑行道长度；

为无端保险道情况下自定义的缓和系数，/>；

比较与/>的大小；

若，则需要通过减少着陆重量来减少滑跑距离；则返回步骤S1，减少着陆重量，重新进行步骤S1-步骤S6，直至/>；

若，则表示无人机着陆重量为/>时，能够在该机场安全着陆。

实施例二

实施例二是基于实施一提出的一种无人机刹车能量限制下的着陆适应性分析方法的一次具体应用。

案例

已知刹车正常使用能量、最大使用能量、极限使用能量，根据设计经验和试飞经验，当前刹车能量无法满足无人机大重量高原着陆。在无人机设计阶段，需要完成以下工作任务：

任务一：应无人机常规任务使命要求，需评估无人机在正常使用刹车情况下（刹车能量＞接地动能）在不同海拔高度机场的最大着陆重量；

任务二：应无人机特殊任务使命以及无人机刹车控制逻辑设计要求，需评估无人机在非正常使用刹车情况下（刹车能量＜接地动能）不同着陆重量的最大刹车速度；

任务三：应无人机特殊任务使命以及总体设计要求，以能在高原机场（海拔4500米，机场跑道长度3500米，含端保险道）安全着陆的重量作为刹车能量限制下的最大着陆重量。

对于任务一，刹车能量＞接地动能，根据刹车能量类型，输入不同重量、不同海拔高度（即不同大气密度），遍历分析方法的步骤S1到步骤S3，计算结果见图2。

对于任务二，刹车能量＜接地动能，根据刹车能量类型，输入不同重量、最大使用海拔高度所对应大气密度，遍历分析方法的步骤S1到步骤S4，计算结果见图3。

对于任务三，刹车限制能量选定为最大使用能量，输入无人机预设最大着陆重量、4500米海拔高度所对应大气密度，遍历分析方法的步骤S1到步骤S6，计算结果见表1。由计算结果知，在刹车最大使用能量限制下，能在海拔高度4500米，机场跑道长度3500米（含端保险道）安全着陆的最大着陆重量为6500千克。

表1 无人机刹车能量限制下着陆适应性分析数据

着陆重量(千克)	接地速度（千米/小时）	最大刹车速度（千米/小时）	着陆滑跑距离（米）	跑道可用长度（米）	满足跑道可用长度
						8000	240	175	4500	3500	否
7500	235	181	4100	3500	否
						7000	230	187	3800	3500	否
6500	225	194	3500	3500	是

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

提供本背景技术部分是为了大体上呈现本发明的上下文，当前所署名的发明人的工作、在本背景技术部分中所描述的程度上的工作以及本部分描述在申请时尚不构成现有技术的方面，既非明示地也非暗示地被承认是本发明的现有技术。

Claims (3)

1.一种无人机刹车能量限制下的着陆适应性分析方法，其特征在于，包括：

步骤S1：根据无人机着陆重量和着陆机场海拔高度所对应的大气密度计算无人机接地速度；

步骤S2：根据无人机接地速度计算着陆接地动能；

步骤S3：根据刹车能量类型对比着陆接地动能与刹车能量的大小关系；

步骤S4：根据对比结果，确定最大刹车速度；

步骤S5：根据最大刹车速度分段计算着陆滑跑距离；

步骤S6：通过比较着陆滑跑距离与着陆机场跑道可用长度来确定适应于该着陆机场的着陆重量；

所述步骤S1，包括：

其中：

为无人机接地速度；

为无人机着陆重量；

为重力加速度；

为着陆机场海拔高度/>所对应的大气密度；

为无人机机翼面积；

为无人机着陆接地时的升力系数；

所述步骤S3，包括：

为全机刹车装置吸收的总能量，即为刹车能量；其中，/>表示刹车能量的种类，所述包括：正常使用能量/>、最大使用能量/>、极限使用能量/>；

根据任务需求选择刹车能量种类，并比较与/>的大小关系；

所述步骤S4，包括：

若，则最大刹车速度/>；

若，则根据以下公式计算最大刹车速度：

其中；

为在所选刹车能量种类限制下的最大刹车速度；

为刹车能量系数；

所述步骤S5，包括：

若，着陆滑跑距离通过如下公式计算：

其中：

为整个滑跑过程的距离；

为自由滑跑段距离；

为刹车减速滑跑段距离；

自由滑跑段距离通过如下公式计算：

其中：

为无人机着陆接地后自由滑跑的时间；

刹车减速滑跑段距离通过如下公式计算：

其中：

为速度为/>时的推力；

为/>时的气动阻力；

为/>时的气动升力；

为滚动摩擦系数；

为刹车摩擦系数；

所述步骤S5，还包括：

若，着陆滑跑距离通过如下公式计算：

其中：

为整个滑跑过程的距离；

为自由滑跑段距离；

为滚动减速滑跑段距离；

为刹车减速滑跑段距离；

自由滑跑段距离通过如下公式计算：

其中：

为无人机着陆接地后自由滑跑的时间；

滚动减速滑跑段距离通过如下公式计算：

其中：

为速度为/>时的推力；

为/>时的气动阻力；

为/>时的气动升力；

为滚动摩擦系数；

刹车减速滑跑段距离通过如下公式计算：

其中：

为速度为/>时的推力；

为/>时的气动阻力；

为/>时的气动升力；

为滚动摩擦系数；

为刹车摩擦系数。

2.根据权利要求1所述的一种无人机刹车能量限制下的着陆适应性分析方法，其特征在于，所述步骤S2，包括：

其中：

为着陆接地动能。

3.根据权利要求1所述的一种无人机刹车能量限制下的着陆适应性分析方法，其特征在于，所述步骤S6，包括：

为了无人机着陆滑跑时不冲出跑道，根据着陆机场跑道情况来定义跑道可用长度；

其中：

为正常滑行道长度；

为/>情况下自定义的缓和系数，/>；

比较与/>的大小；

若，则需要通过减少着陆重量来减少滑跑距离；

若，则表示无人机着陆重量为/>时，能够在该机场安全着陆。