基于导航向量场的多旋翼无人机辅助固定翼无人机降落方法

本发明涉及无人机异构协同控制，具体涉及一种基于导航向量场的多旋翼无人机辅助固定翼无人机降落方法。

背景技术：

1、固定翼无人机是一种没有驾驶员搭载的飞行器，它采用与传统飞机相似的固定翼结构。与直升机或多旋翼无人机不同，固定翼无人机在飞行时通过固定的机翼产生升力。固定翼无人机由于众多优点被广泛用于多种任务和环境中，例如长航时、高速飞行、稳定飞行、大载重能力等。然而固定翼无人机常规滑跑降落方式通常需要一定长度的跑道，对其在受限场地中的应用造成限制。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于导航向量场的多旋翼无人机辅助固定翼无人机降落方法。该方法首先控制多旋翼无人机起飞并接近固定翼无人机；随后通过实时动态差分定位与惯性测量信息融合，获取两机的位置、姿态及速度，利用导航向量场控制器引导两机进行空中对接；确认对接连接可靠后，由多旋翼无人机运载固定翼无人机降落至目标位置，从而降低固定翼无人机降落对跑道及场地条件的依赖。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供了一种基于导航向量场的多旋翼无人机辅助固定翼无人机降落方法，包括：

4、在固定翼无人机降落过程中，多旋翼无人机起飞并逐渐接近固定翼无人机；

5、通过实时动态差分定位与惯性测量信息融合，获取固定翼无人机和多旋翼无人机的位置、姿态及速度，应用导航向量场理论设计控制器，控制固定翼无人机和多旋翼无人机进行空中对接；

6、多旋翼无人机运载固定翼无人机降落在地面上。

7、在其中一个实施例中，所述在固定翼无人机降落过程中，多旋翼无人机起飞并逐渐接近固定翼无人机，具体包括：

8、判断固定翼无人机是否满足启动辅助降落流程的条件；

9、判断多旋翼无人机是否满足起飞条件；

10、在以上条件均满足后，多旋翼无人机起飞，固定翼无人机不断靠近多旋翼无人机。

11、在其中一个实施例中，所述判断固定翼无人机是否满足启动辅助降落流程的条件，包括：获取固定翼无人机的位置及飞行状态；当固定翼无人机进入预设交会范围，且其飞行状态满足预设安全要求时，判定满足启动辅助降落流程的条件。

12、所述判断多旋翼无人机是否满足起飞条件，包括：检测多旋翼无人机的工作状态；当其动力系统和通信链路正常，剩余能源及载荷能力满足预设任务要求，且环境条件满足预设安全要求时，判定多旋翼无人机满足起飞条件。

13、在其中一个实施例中，所述控制固定翼无人机和多旋翼无人机进行空中对接，具体包括：获取两机的位置、姿态及速度，判断是否满足预设对接控制启动条件；满足启动条件后，切入对接控制算法，引导两机对接端口接近；当两机对接端口满足预设接触条件时，执行对接连接操作，并检测连接状态。

14、在其中一个实施例中，所述预设接触条件包括：获取两机对接端口的位置、姿态及速度，计算相对于预设对接关系的三轴相对位置误差、三轴相对速度误差及相对姿态误差；当各标量误差的绝对值均不超过对应预设阈值，并持续预设时长时，判定满足预设接触条件。

15、在其中一个实施例中，所述多旋翼无人机运载固定翼无人机降落在地面上，具体包括：

16、确认两机对接连接可靠，并检测两机形成的组合体是否能够稳定飞行；

17、判断环境及目标降落区域是否满足预设降落要求；

18、当上述条件均满足时，控制组合体降落至目标位置。

19、在其中一个实施例中，所述应用导航向量场理论设计控制器，控制固定翼无人机和多旋翼无人机进行空中对接，具体包括：

20、建立无人机动力学模型，采用二阶积分器形式：

21、；

22、其中，表示固定翼无人机，表示多旋翼无人机；为第j个无人机的位置向量，为的导数，为第j个无人机的速度向量，为的导数，为第j个无人机的加速度控制量；

23、引入虚拟坐标参数化预定三维路径，定义路径集合：

24、；

25、其中，为四维增广坐标向量；、和为定义路径集合的三轴空间坐标变量；、和为预定路径的三轴参数化坐标函数；为路径参数，并作为附加虚拟坐标；为实数集，表示转置。

26、定义路径跟踪误差向量：

27、；

28、其中，、和分别为第个无人机在轴、轴和轴方向上的实际位置坐标；表示向量或矩阵的转置。

29、设计上层异构引导速度控制器：

30、；

31、其中，分别为三个坐标方向上的路径误差收敛增益，为上述增益的统一表示，；分别为三个坐标方向上的路径隐函数误差，为上述误差的统一表示；为虚拟路径参数的协同增益；为第个无人机的虚拟路径参数；为第个无人机与第个无人机之间的期望虚拟路径参数偏移量；为第个无人机的参数化期望路径在第个坐标方向上的分量函数。由此，可从上层引导控制器中提取期望速度向量和虚拟路径参数更新律。

32、从上层引导控制器提取期望速度向量和虚拟坐标更新律：

33、；

34、；

35、其中，为无人机的期望速度向量，为其虚拟路径参数的更新率。下层控制器采用速度跟踪控制律：

36、；

37、定义速度跟踪误差。在上述简化模型成立、期望速度连续可微且加速度控制量准确实现的条件下，将速度跟踪控制律代入模型，可得

38、，

39、当为常数时，速度跟踪误差指数收敛至零，使实际速度趋近期望速度。

40、与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

41、本发明提出一种创新型复合飞行控制方案，旨在解决固定翼无人机在狭小空间内的安全降落难题。该方案结合路径引导、协同控制和对接状态检测，为固定翼无人机在受限场地中的辅助降落提供技术途径。

42、针对固定翼无人机空中对接的核心技术需求，本发明从理论上设计了一套专属的对接过程控制方法。通过路径引导、协同控制和对接状态检测，为两机接近与对接提供控制参考。

43、本发明还提出了一种创新性的多旋翼无人机运载固定翼无人机降落方法。通过这种方法，多旋翼无人机能够安全地运载固定翼无人机降落，从而降低了无人机降落所需场地的要求。这种设计不仅提高了降落操作的灵活性，也为无人机在狭小区域内执行任务提供了便利。

1.一种基于导航向量场的多旋翼无人机辅助固定翼无人机降落方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1中的一种基于导航向量场的多旋翼无人机辅助固定翼无人机降落方法，其特征在于，所述在固定翼无人机降落过程中，多旋翼无人机起飞并逐渐接近固定翼无人机，具体包括：

3.根据权利要求2所述的基于导航向量场的多旋翼无人机辅助固定翼无人机降落方法，其特征在于，所述判断固定翼无人机是否满足启动辅助降落流程的条件，包括：获取固定翼无人机的位置及飞行状态；当固定翼无人机进入预设交会范围，且固定翼无人机的飞行状态满足预设安全要求时，判定满足启动辅助降落流程的条件；

4.根据权利要求1所述的基于导航向量场的多旋翼无人机辅助固定翼无人机降落方法，其特征在于，所述引导两机进行空中对接，具体包括：

5.根据权利要求4所述的基于导航向量场的多旋翼无人机辅助固定翼无人机降落方法，其特征在于，所述预设接触条件包括：获取两机对接端口的位置、姿态及速度，计算相对于预设对接关系的三轴相对位置误差、三轴相对速度误差及相对姿态误差；当各标量误差的绝对值均不超过对应预设阈值，并持续预设时长时，判定满足预设接触条件。

6.根据权利要求1中的一种基于导航向量场的多旋翼无人机辅助固定翼无人机降落方法，其特征在于，所述多旋翼无人机运载固定翼无人机降落在地面上，具体包括：

7.根据权利要求1所述的基于导航向量场的多旋翼无人机辅助固定翼无人机降落方法，其特征在于，所述利用导航向量场控制器引导两机进行空中对接，具体包括：