一种系留无人机自适应收放线控制方法与流程

1.本发明涉及一种控制方法，特别涉及一种系留无人机自适应收放线控制方法，属于系留无人机线缆自适应收放技术领域。


背景技术：

2.随着科学技术的发展和生产生活的需要，无人机被广泛应用在电力巡检、防灾救援、隧洞勘探等执行复杂任务的领域。但由于无人机受能源问题、无线干扰等限制，不能长时间滞空飞行，且无法携带较大功率的设备。在无线数传设备受到干扰时，无线数据传输速度受到限制，容易造成突发事故。为了解决上述问题，系留无人机应运而生。系留无人机将无人机与系留装置相结合，利用二者各自的特点，通过系留线缆连接，解决无人机长航时、高负载的问题。系留线缆作为系留无人机系统的重要组成部分，是无人机能源输送、数据传输的依托。因此，保障系留线缆安全，在无人机飞行过程中不受破坏，是保证系留无人机系统安全稳定的重要研究内容。
3.现有的系留无人机收放线系统主要存在如下问题：只通过分析线缆受力及无人机相对位置，从而给出系留线缆收放长度。但对无人机飞行环境阻碍线缆时的系留线缆收放研究较少。而只依靠张力和无人机位置确定放线长度，不考虑飞行环境影响，容易导致环境中的障碍对线缆造成破坏。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种系留无人机自适应收放线控制方法，以解决上述背景技术中提出的只通过分析线缆受力及无人机相对位置，从而给出系留线缆收放长度，但对无人机飞行环境阻碍线缆时的系留线缆收放研究较少，而只依靠张力和无人机位置确定放线长度，不考虑飞行环境影响，容易导致环境中的障碍对线缆造成破坏的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种系留无人机自适应收放线控制方法，所述控制方法利用悬链线原理构建系留线缆受力模型，根据系留无人机应用环境中的障碍物位置，利用牛顿迭代法计算系留线缆临界悬链系数，根据系留无人机任务目标位置，计算系留线缆线型及悬链系数，判断系留线缆线型是否穿越障碍物，根据穿越障碍物和不穿越障碍物两种情况，分别计算系留线缆绕开障碍物时的线缆放线长度，具体步骤如下：
6.s1：系留线缆受力分析模型，将系留无人机的系留线缆看作悬链线，以线缆截面为平面建立坐标系，坐标系在三维应用环境中一样适用，利用悬链线原理对系留线缆进行受力分析；
7.s2：确定系留线缆临界悬链线系数，根据系留无人机应用环境，在已知障碍物位置的情况下，利用牛顿迭代法计算该环境下悬链线的临界系数；
8.s3：确定系留线缆线型及悬链系数，根据系留无人机任务目标位置，计算系留线缆线型，及到达该目标位置时的悬链系数；
9.s4：判断系留线缆线型和障碍物的位置关系，根据不同情况，分别计算系留线缆绕
开障碍物时至少应该放线的长度。
10.作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s1中系留线缆受力分析模型，将系留线缆抽象为过原点的悬链线，以线缆截面为平面建立坐标系，系留线缆分别承受无人机端拉力、系留装置端拉力和线缆自身重力，利用悬链线原理对系留线缆进行受力分析，推导悬链曲线模型表达式如下：
[0011][0012][0013]
式中，a为悬链线系数，l为悬链线线长，cosh为双曲余弦函数，sinh为双曲正弦函数。
[0014]
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s2中确定系留线缆临界悬链线系数，利用牛顿迭代法计算已知障碍物位置情况下，悬链曲线的临界系数：
[0015][0016]
式中，a为悬链线系数，(x，y)为位置坐标。
[0017]
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s3中确定系留线缆线型及悬链系数，根据系留无人机任务的目标位置，利用悬链曲线模型表达式和牛顿迭代法，计算系留无人机到达指定目标位置时，系留线缆的线型及悬链系数。
[0018]
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s4判断系留线缆线型和障碍物的位置关系，根据临界悬链系数和系留线缆悬链系数，判断系留线缆线型与障碍物的位置关系，分为穿越障碍和不穿越障碍两种情况。
[0019]
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s4判断系留线缆线型和障碍物的位置关系，若系留线缆线型不穿越障碍，则根据系留线缆悬链系数，利用悬链曲线模型表达式，计算系留无人机到达目标位置时的系留线缆长度。
[0020]
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤s4判断系留线缆线型和障碍物的位置关系，若系留线缆线型穿越障碍，则根据临界悬链系数，利用穿越障碍条件下的绳长计算公式，推导计算临界悬链系数下，系留无人机到达目标位置时的线缆长度l：
[0021][0022]
式中，λ为临界悬链线系数，y为目标点纵坐标。
[0023]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0024]
本发明充分考虑系留无人机运用场景的复杂情况，将系留线缆看作悬链线进行受力分析；根据场景中的障碍物位置，利用牛顿迭代法计算临界悬链系数；根据无人机任务目标位置计算线缆线型及悬链系数；根据不同的情况计算系留线缆放线长度，该方法能够保证无人机到达指定位置，且能绕开应用环境中的障碍物，既保证了系留无人机完成既定任务，又降低了系留线缆在复杂环境中损毁的可能性，保障线缆和系留无人机的应用安全，且此方法计算得到的线缆长度相对较短，更加符合系留无人机应用的实际需要。
附图说明
[0025]
图1为本发明一种系留无人机自适应收放线控制方法的整体框架图。
[0026]
图2为本发明一种系留无人机自适应收放线控制方法的系留线缆受力图。
[0027]
图3为本发明一种系留无人机自适应收放线控制方法的悬链曲线线型图。
具体实施方式
[0028]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]
请参阅图1-3，本发明提供了一种系留无人机自适应收放线控制方法的技术方案：
[0030]
根据图1-3所示，
[0031]
利用悬链线原理构建系留线缆受力模型。根据系留无人机应用环境中的障碍物位置，利用牛顿迭代法计算系留线缆临界悬链系数。根据系留无人机任务目标位置，计算系留线缆线型及悬链系数。判断系留线缆线型是否穿越障碍物，根据穿越障碍物和不穿越障碍物两种情况，分别计算系留线缆绕开障碍物时的线缆放线长度。具体步骤如下：
[0032]
步骤1，系留线缆受力分析模型，将系留无人机的系留线缆看作悬链线，以线缆截面为平面建立坐标系，该坐标系在三维应用环境中一样适用，利用悬链线原理对系留线缆进行受力分析；
[0033]
步骤2，确定系留线缆临界悬链线系数，根据系留无人机应用环境，在已知障碍物位置的情况下，利用牛顿迭代法计算该环境下悬链线的临界系数；
[0034]
步骤3，确定系留线缆线型及悬链系数，根据系留无人机任务目标位置，计算系留线缆线型，及到达该目标位置时的悬链系数；
[0035]
步骤4，判断系留线缆线型和障碍物的位置关系，根据不同情况，分别计算系留线缆绕开障碍物时至少应该放线的长度。
[0036]
进一步地，参照图2所示，将系留线缆抽象为过原点的悬链线，以线缆截面为平面建立坐标系，系留线缆分别承受无人机端拉力、系留装置端拉力和线缆自身重力。利用悬链线原理对系留线缆进行受力分析，推导悬链曲线模型表达式。
[0037][0038][0039]
式中，a为悬链线系数，l为悬链线线长，cosh为双曲余弦函数，sinh为双曲正弦函数。
[0040]
根据此系留无人机线缆悬链曲线模型表达式，可以计算出系留线缆上各点的相对位置坐标，以及其对应的曲线长度。为本发明确定避开系留无人机应用场景障碍所需线缆的长度，提供计算依据。
[0041]
进一步地，悬链曲线线型根据其系数改变而改变，且悬链曲线作为超越函数，需要考虑的因素较多，计算较为复杂，因此利用牛顿迭代法计算已知障碍物位置情况下，悬链曲
线的临界系数。牛顿迭代法的迭代公式：
[0042][0043]
式中，xn为f(x)的一个接近根s的实根，为在xn点的一阶导数。
[0044]
将悬链曲线表达式稍做转换，变为系数a为自变量的函数。利用牛顿迭代法求悬链曲线的近似系数a，从而计算线缆长度。
[0045][0046][0047]
式中，a为悬链线系数，(x，y)为障碍物位置坐标或无人机位置坐标。
[0048]
悬链系数求解公式：
[0049][0050]
式中，a为悬链线系数，(x，y)为障碍物位置坐标。
[0051]
进一步地，根据系留无人机任务的目标位置，利用所述步骤2和所述步骤3中的悬链曲线模型表达式和牛顿迭代法，计算系留无人机到达指定目标位置时，系留线缆的线型及悬链系数。
[0052]
进一步地，根据临界悬链系数和系留线缆悬链系数，判断系留线缆线型与障碍物的位置关系，分为穿越障碍和不穿越障碍两种情况。系留线缆的悬链曲线线型根据系数a变化而变化，a越小线型越陡峭，参照图3所示。因此，保证系留线缆的悬链系数不小于临界系数，就能使系留线缆绕过障碍。若悬链系数小于临界系数，则系留线缆线型必定穿越障碍。
[0053]
进一步地，若悬链系数大于临界悬链系数，则系留线缆线型不穿越障碍，则根据系留线缆悬链系数，利用所述步骤2的悬链曲线模型表达式，计算系留无人机到达目标位置时的系留线缆长度。
[0054]
进一步地，若悬链系数小于临界悬链系数，则系留线缆线型穿越障碍，此时应该根据临界悬链系数，利用穿越障碍条件下的绳长计算公式，推导计算临界悬链系数下，系留无人机到达目标位置时的线缆长度。
[0055][0056]
式中，λ为临界悬链线系数，y为目标点纵坐标。
[0057]
本发明有效考虑了系留无人机应用的复杂环境，能够保证无人机到达指定位置，且系留线缆能绕开应用环境中的障碍物，该方法既保证了系留无人机完成既定任务，又降低了系留线缆在复杂环境中损毁的可能性，有效保障系留无人机的应用安全，且此方法计算得到的线缆长度相对较短，更加符合系留无人机应用的实际需要。
[0058]
在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0059]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0060]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。