折叠翼无人机的投放装置及投放方法与流程

1.本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种折叠翼无人机的投放装置及投放方法。


背景技术：

2.近年来，随着无人机系统技术的迅猛发展，无人机集群已成为当今国际重点关注的新兴科技方向。尤其是在军事领域，由于其功能分布化、体系生存率高、费效交换比大的特点，可对高价值目标形成非对称优势，具有广泛的应用前景，被称为“改变未来战争形态的颠覆性力量”。
3.要实现无人机集群的远程作战能力，需要在载机平台上进行无人机的大规模集群存储，无人机集群可在空中进行自主时序投放，从而实现无人机安全便捷地脱离载机平台，快速自主飞行，抵达目标区域执行任务。这使得具有良好便携性的小型折叠翼无人机成为当下无人机集群研究的主流平台，针对折叠翼无人机集群的空中自主投放技术也成为了集群研究的重点问题。
4.如专利201811617615.3、201811619742.7、201811616522.9分别采用多组轮滑轨式、多组轮连杆式、多组矩形滑轨式设计无人机投放装置及投放方法，均面向中/大型固定翼无人机，只能依托于大型运输机载机平台进行舱内少量存储，且仅依靠无人机的自身重力进行投放分离，分离安全性不高，尤其不适用于重量轻的小型折叠翼无人机。
5.专利201920034488.8设计了一种折叠翼无人机集群发射装置，通过高压气体作用，进行无人机集群的连续发射，一般适用于从地面的静初始状态进行加速发射，难以适用于空中，且不具备自主减速能力。
6.专利201820756631.x、201820837563.x设计的无人机空投装置，要么只能在特定速度下进行投放，适用性差；要么只能针对单个无人机开展应用，不具备集群自主投放的能力。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题是如何实现无人机集群的空中自主投放，本发明体出一种折叠翼无人机的投放装置及投放方法。
8.根据本发明实施例的折叠翼无人机的投放装置，所述投放装置挂载于机载平台，所述投放装置包括：
9.投放筒，所述投放筒具有用于装载折叠翼无人机的容纳腔，所述容纳腔内具有投放控制器，所述投放筒的尾部设有可展开的尾翼；
10.减速组件，所述减速组件设于所述容纳腔内，所述减速组件具有收纳于所述容纳腔内的收纳状态和从所述收纳腔内脱离的展开状态；
11.释放机构，所述释放机构设于所述容纳腔内，用于在所述投放控制器的控制下，将所述无人机从所述容纳腔内释放。
12.根据本发明实施例的折叠翼无人机的投放装置，具备空中自主减速能力，可适用于多种载机平台、不同的投放初始速度，广泛性更强；投放控制逻辑简单明确，均依托无人机飞行控制系统，可实现全自主投放，自主性更强；简单便携，与折叠翼无人机一体化设计，大规模的存储能力更强，为加快形成无人机集群的远程应用能力，提供了关键核心技术支撑。
13.根据本发明的一些实施例，所述减速组件包括：
14.主伞，固定于所述容纳腔内；
15.引导伞，固定于所述容纳腔内，所述引导伞与所述主伞连接，用于将所述主伞引导出所述容纳腔；
16.当所述引导伞引导所述主伞从所述容纳腔脱离，所述减速组件由所述收纳状态切换至所述释放状态。
17.在本发明的一些实施例中，所述释放机构包括：机体切割器，用于断开所述无人机与所述容纳腔连接的固定件。
18.根据本发明的一些实施例，所述尾翼为端面为弧形的片状，所述尾翼为多片，多片所述尾翼间隔设于所述投放筒的外周壁上。
19.在本发明的一些实施例中，所述投放筒为玻璃纤维件。
20.根据本发明实施例的折叠翼无人机的投放方法，所述投放方法采用如上述所述的折叠翼无人机的投放装置进行无人机集群的自主投放，所述方法包括：
21.通过无人机的加速度计获取无人机法向加速度阶跃信号，并基于所述无人机法向加速度阶跃信号，判断所述投放筒是否被投放；
22.当判定所述无人机被释放时，在所述无人机从所述投放筒分离时，进行下一个无人机的投放；
23.重复上述步骤，至完成无人机群中所有无人机的投放。
24.根据本发明实施例的折叠翼无人机的投放方法，具备空中自主减速能力，可适用于多种载机平台、不同的投放初始速度，广泛性更强；投放控制逻辑简单明确，均依托无人机飞行控制系统，可实现全自主投放，自主性更强；简单便携，与折叠翼无人机一体化设计，大规模的存储能力更强，为加快形成无人机集群的远程应用能力，提供了关键核心技术支撑。
25.根据本发明的一些实施例，所述投放筒被释放后，所述无人机的释放方法包括：
26.所述投放筒自由下落第一预设时间后展开所述尾翼；
27.经第二预设时间后，切断引导伞伞绳和主伞伞绳，通过所述引导伞将所述主伞从所述容纳腔中引出；
28.通过无人机飞控系统获取所述投放筒的运动速度，当所述运动速度达到预设范围内时，由所述释放机构将所述无人机从所述容纳腔释放。
29.在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：
30.设计多模态飞行鲁棒控制器，当所述无人机从所述投放筒分离后，通过所述多模态飞行鲁棒控制器控制所述无人机进行展翼及对所述无人机进行姿态调整。
31.根据本发明的一些实施例，所述多模态飞行鲁棒控制器的控制模型如下：
32.[0033][0034][0035][0036]
其中，ω＝[p q r]
t
为无人机的角速度，p为滚转角速度，q为俯仰角速度，r为偏航角速度；θ＝[φ θ ψ]
t
为姿态角，φ表示滚转角，θ表示俯仰角，ψ表示偏航角；为飞行速度，u为无人机机体坐标系x轴方向的速度，v为无人机机体坐标系y轴方向的速度，w无人机机体坐标系z轴方向的速度；p
n
＝[x
g y
g h]
t
为无人机的位置信息；m＝[m
1 m
2 m3]
t
为调整无人机姿态的控制力矩，包含滚转、俯仰和偏航三个力矩；f∈r3×1和t＝[t
x 0 0]
t
分别为无人机所受的气动力和发动机提供的推力；m为无人机质量，g为重力加速度；r
θ
∈r3×3，i∈r3×3，r
i
∈r3×3表示如下：
[0037][0038][0039]
在本发明的一些实施例中，第i个无人机的多模态飞行鲁棒控制器为：
[0040][0041]
其中，第i个无人机的控制增益和姿态误差分别为k
1i
＞0，e
θi
＝θ
i
‑
θ
d
，i≥1。
附图说明
[0042]
图1为根据本发明实施例的折叠翼无人机的投放装置的结构示意图；
[0043]
图2为根据本发明实施例的折叠翼无人机的投放装置的局部结构示意图；
[0044]
图3
‑
6为根据本发明实施例的投放筒投放1.5s内自由落体时表面压力分布仿真示意图；
[0045]
图7
‑
8为根据本发明实施例的无人机集群投放飞行曲线示意图。
[0046]
附图标记：
[0047]
投放装置100，
[0048]
投放筒10，容纳腔110，尾翼120，伞舱盖130，
[0049]
减速组件20，主伞210，主伞绳211，引导伞220，引导伞切割器230，
[0050]
释放机构30，机体切割器310，连接伞绳320，
[0051]
无人机500。
具体实施方式
[0052]
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
[0053]
本发明中说明书中对方法流程的描述及本发明说明书附图中流程图的步骤并非必须按步骤标号严格执行，方法步骤是可以改变执行顺序的。而且，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
[0054]
如图1和图2所示，根据本发明实施例的折叠翼无人机的投放装置100，投放装置100挂载于机载平台，投放装置100包括：投放筒10、减速组件20和释放机构30。
[0055]
其中，投放筒10具有用于装载折叠翼无人机500的容纳腔110，容纳腔110内具有投放控制器，投放筒10的尾部设有可展开的尾翼120。由此，可以将折叠翼无人机500放置于容纳腔110内，投放筒10尾部的尾翼120可以提高投放装置100投放的稳定性。
[0056]
减速组件20设于容纳腔110内，减速组件20具有收纳于容纳腔110内的收纳状态和从收纳腔内脱离的展开状态。需要说明的是，当减速组件20从容纳腔110内脱离处于展开状态时，可以产生较大阻力，降低投放筒10的下降速度。
[0057]
释放机构30设于容纳腔110内，用于在投放控制器的控制下，将无人机500从容纳腔110内释放。
[0058]
根据本发明实施例的折叠翼无人机的投放装置100，具备空中自主减速能力，可适用于多种载机平台、不同的投放初始速度，广泛性更强；投放控制逻辑简单明确，均依托无人机飞行控制系统，可实现全自主投放，自主性更强；简单便携，与折叠翼无人机一体化设计，大规模的存储能力更强，为加快形成无人机集群的远程应用能力，提供了关键核心技术支撑。
[0059]
根据本发明的一些实施例，如图2所示，减速组件20包括：主伞210和引导伞220。
[0060]
其中，主伞210固定于容纳腔110内，引导伞220固定于容纳腔110内，引导伞220与主伞210连接，用于将主伞210引导出容纳腔110。当引导伞220引导主伞210从容纳腔110脱离，减速组件20由收纳状态切换至释放状态，以降低投放装置100的下降速度。
[0061]
如图2所示，容纳腔110内设有引导伞切割器230，当需要释放主伞210和引导伞220时，通过引导伞切割器230断开引导伞220与投放筒10间的连接，伞舱盖130打开，引导伞220从容纳腔110脱离并引导主伞210从容纳腔110中脱离。主伞210与引导伞220之间可以通过主伞绳210连接，主伞210还可以通过连接伞绳320与投放筒10或无人机500连接。
[0062]
在本发明的一些实施例中，如图2所示，释放机构30包括：机体切割器310，用于断开无人机500与容纳腔110连接的固定件。由此，可以使无人机500从容纳腔110中脱离释放。
[0063]
根据本发明的一些实施例，如图1所示，尾翼120为端面为弧形的片状，尾翼120为多片，多片尾翼120间隔设于投放筒10的外周壁上。由此，可以使投放装置100释放时保持良好的稳定度，自身诱导滚转可以完全消除，提高了投放装置100投放的稳定性。
[0064]
在本发明的一些实施例中，投放筒10为玻璃纤维件。由此，可以降低折叠翼无人机的投放成本。
[0065]
根据本发明实施例的折叠翼无人机的投放方法，投放方法采用如上述的折叠翼无人机的投放装置100进行无人机500集群的自主投放，方法包括：
[0066]
s110，通过无人机的加速度计获取无人机法向加速度阶跃信号，并基于无人机法
向加速度阶跃信号，判断投放筒是否被投放；
[0067]
s120，当判定无人机被释放时，在无人机从投放筒分离时，进行下一个无人机的投放；
[0068]
s130，重复上述步骤s110
‑
s120，至完成无人机群中所有无人机的投放。
[0069]
根据本发明实施例的折叠翼无人机的投放方法，具备空中自主减速能力，可适用于多种载机平台、不同的投放初始速度，广泛性更强；投放控制逻辑简单明确，均依托无人机飞行控制系统，可实现全自主投放，自主性更强；简单便携，与折叠翼无人机一体化设计，大规模的存储能力更强，为加快形成无人机集群的远程应用能力，提供了关键核心技术支撑
[0070]
根据本发明的一些实施例，投放筒被释放后，无人机的释放方法包括：
[0071]
s121，投放筒自由下落第一预设时间后展开尾翼；
[0072]
s122，经第二预设时间后，切断引导伞伞绳和主伞伞绳，通过引导伞将主伞从容纳腔中引出；
[0073]
s123，通过无人机飞控系统获取投放筒的运动速度，当运动速度达到预设范围内时，由释放机构将无人机从容纳腔释放。
[0074]
在本发明的一些实施例中，方法还包括：
[0075]
s140，设计多模态飞行鲁棒控制器，当无人机从投放筒分离后，通过多模态飞行鲁棒控制器控制无人机进行展翼及对无人机进行姿态调整。
[0076]
根据本发明的一些实施例，多模态飞行鲁棒控制器的控制模型如下：
[0077][0078][0079][0080][0081]
其中，ω＝[p q r]
t
为无人机的角速度，p为滚转角速度，q为俯仰角速度，r为偏航角速度；θ＝[φ θ ψ]
t
为姿态角，φ表示滚转角，θ表示俯仰角，ψ表示偏航角；为飞行速度，u为无人机机体坐标系x轴方向的速度，v为无人机机体坐标系y轴方向的速度，w无人机机体坐标系z轴方向的速度；p
n
＝[x
g y
g h]t为无人机的位置信息；m＝[m
1 m
2 m3]
t
为调整无人机姿态的控制力矩，包含滚转、俯仰和偏航三个力矩；f∈r3×1和t＝[t
x 0 0]
t
分别为无人机所受的气动力和发动机提供的推力；m为无人机质量，g为重力加速度；r
θ
∈r3×3，i∈r3×3，r
i
∈r3×3表示如下：
[0082]
[0083][0084]
在本发明的一些实施例中，第i个无人机的多模态飞行鲁棒控制器为：
[0085][0086]
其中，第i个无人机的控制增益和姿态误差分别为k
1i
＞0，e
θi
＝θ
i
‑
θ
d
，i≥1。
[0087]
下面参照附图以一个具体的实施例详细描述根据本发明的折叠翼无人机的投放装置100及投放方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性描述，而不应理解为对本发明的具体限制。
[0088]
本发明的目的是提出一种适用于多载机平台的小型折叠翼无人机集群空中自主投放技术，通过设计一种无人机筒式投放装置100，提出一种无人机集群的空中自主投放技术，实现小型折叠翼无人机集群的时序投放、空中减速、自主出筒以及出筒后展翼与调姿。最终，实现无人机集群空中自主投放与稳定飞行。该方法适用于运输机、战斗机、直升机等多个载机平台，可在不同的速度范围内，进行小型折叠翼无人机集群的空中自主投放。
[0089]
首先，如图1所示，设计一种小型折叠翼无人机的筒式投放装置100。材料为普通玻璃纤维，可实现空中无人机500与地面或载机之间的实时通信。该投放装置100具体尺寸由折叠翼无人机500折叠锁死状态下的外包络尺寸决定，投放筒10内尺寸一般为折叠翼无人机500折叠锁死状态下外包络尺寸的基础上加3
‑
5mm。投放装置100的组成主要分为三部分：投放筒10(含稳定尾翼120和投放控制器)、减速组件20(含主伞210、引导伞220、引导伞切割器230等)以及释放机构30(含伞绳和机体切割器310)，具体如图1和图2所示。无人机投放筒10可通过简易的方式挂载于运输机、战斗机、直升机等多个载机平台。
[0090]
其次，提出一种面向小型折叠翼无人机集群的空中自主投放技术。具体为：
[0091]
1)设计基于加速度计的无人机空中释放判定方法。装有无人机的投放筒在空中从载机平台上被释放瞬间，无人机自身的加速度计将获得瞬间较大的阶跃信号，通过无人机的法向过载变化做出是否被释放判断。一般的无人机法向加速度阶跃大于0.8g，则判定为释放状态；否则，为挂载状态。
[0092]
2)设计集群投放控制时序，实现多机投放筒尾翼的自主展开、减速伞自主打开以及无人机自主释放。第i个装有无人机的投放筒被释放后，自由下落，延时1s自动展开投放筒尾翼，通过尾翼产生空气阻力，防止投放筒发生滚转。在此基础上，延时1s，引导伞切割器进行作用，解除引导伞约束。通过引导伞拉出主伞，实现无人机投放筒的减速以及俯仰方向的稳定，防止姿态失稳。在此基础上，通过无人机飞控系统判断无人机投放筒的运动速度，当运动速度减至小型折叠翼无人机的飞行速度范围之内(一般为30
‑
50m/s)，投放筒内的机体切割器自动作用，在无人机本身的重力作用和减速伞的反作用下，无人机从投放筒中滑出，实现第i个无人机与投放筒的安全自主分离。与此同时，释放第i 1个装有无人机的投放
筒，循环往复，实现小型折叠翼无人机集群的空中自主投放。
[0093]
如图3
‑
图6所示，通过cfd的方法仿真投放筒从1.5s内自由落体的六自由度运动状况，可对空投技术的可行性进行初步评估。
[0094]
仿真条件：取前方自由来流密度ρ
∞
＝1.225m/s，速度v
∞
＝40m/s，温度t
∞
＝15℃；投放筒参考面积取最大截面积0.015m2，参考长度取筒身长度1.188m。使用fluent软件求解出投放筒在投放的1.5s内运动状况及不同时刻投放筒表面压力分布情况，其中，图1为投放筒投放0s时自由落体时表面压力分布仿真示意图，图2为投放筒投放0.5s时自由落体时表面压力分布仿真示意图，图3为投放筒投放1s时自由落体时表面压力分布仿真示意图，图4为投放筒投放1.5s时自由落体时表面压力分布仿真示意图。
[0095]
针对上述分析，设计的圆弧翼可保持良好的稳定度，自身诱导滚转可以完全消除。
[0096]
最后，提出小型折叠翼无人机出筒前后的飞行鲁棒控制器。折叠翼无人机集群在空中出筒瞬间，可能存在多种飞行模态。为了解决出筒后自动展翼及展翼后自主调姿与稳定飞行，通过在机载飞控系统中设计多模态飞行鲁棒控制器，完成快速调姿，进入稳定平飞状态。
[0097]
提出的无人机控制模型如下：
[0098][0099][0100][0101][0102]
上式中，ω＝[p q r]
t
为无人机的角速度，p为滚转角速度，q为俯仰角速度，r为偏航角速度；θ＝[φ θ ψ]
t
为姿态角，φ表示滚转角，θ表示俯仰角，ψ表示偏航角；为飞行速度，u为无人机机体坐标系x轴方向的速度，v为无人机机体坐标系y轴方向的速度，w无人机机体坐标系z轴方向的速度；p
n
＝[x
g y
g h]
t
为无人机的位置信息。m＝[m
1 m
2 m3]
t
为调整无人机姿态的控制力矩,包含滚转、俯仰和偏航三个力矩；f∈r3×1和t＝[t
x 0 0]
t
分别为无人机所受的气动力和发动机提供的推力；r
θ
∈r3×3，i∈r3×3，r
i
∈r3×3表示如下：
[0103][0104][0105]
设计的第i个无人机的飞行鲁棒控制器为：
[0106][0107]
其中，第i个无人机的控制增益和姿态误差分别为k
1i
＞0，e
θi
＝θ
i
‑
θ
d
，
[0108]
对上述控制算法进行试验验证。试验条件为直升机挂载，载机飞行速度40m/s
‑
45m/s，投放高度海拔高度550m，进行2架机的时序投放。由试验数据可知，第一架无人机出筒后机翼展开正常，拉起迅速，并进入正常平飞模式，自动飞向指定区域；第二架无人机同样出筒后正常拉起，迅速摆平并进入正常平飞模式。两架机的回收时地速20m/s、俯仰姿态10度。无人机集群投放飞行曲线如图7
‑
图8所示。
[0109]
综上所述，本发明首先设计了一种新颖的小型折叠翼无人机筒式投放装置100，尺寸可根据无人机500而定，由投放筒10、减速组件20以及释放机构30三部分组成，可通过简易的方式挂载于运输机、战斗机、直升机等多种不同载机平台，具备技术先进性。本发明重点提出了一种面向小型折叠翼无人机集群的空中自主投放技术。其中包括：设计了基于加速度计的无人机空中释放判定方法和集群空中自主投放控制技术，可实现无人机集群投放过程的自主性和安全性，目前并无类似解决方案。本发明重点设计了一种小型折叠翼无人机多模态飞行鲁棒控制器，可在出筒瞬间的多种姿态下，实现无人机的快速姿态机动，使其平稳进入平飞状态，目前并无类似解决方案。
[0110]
本发明具有如下有益效果：
[0111]
本发明提出的小型折叠翼无人机集群空中自主投放技术，具备空中自主减速能力，可适用于多种载机平台、不同的投放初始速度，广泛性更强；本发明提出的小型折叠翼无人机集群空中自主投放技术，投放控制逻辑简单明确，均依托无人机飞行控制系统，可实现全自主投放，自主性更强；本发明提出的投放装置简单便携，与折叠翼无人机一体化设计，大规模的存储能力更强，为加快形成无人机集群的远程应用能力，提供了关键核心技术支撑。
[0112]
通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。