專利名稱：一種基于無線電和激光引導的無人機應急著陸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無人機在GPS設(shè)備發(fā)生故障或者GPS信號被干擾和丟失情況下飛機可以安全、精確著陸的方法，增加無人機降落時的安全性，提高機場安全保障條件。
背景技術(shù)：
無人機降落時必須以特定的航向角度和高度接近跑道才能準確降落，在這個過程中，傳統(tǒng)的著陸過程是無人機通過GPS所給出的位置信息、高度信息、速度方向信息來進行航跡控制的。但是，機載GPS設(shè)備一旦發(fā)生故障或者GPS信號被干擾和丟失，則會導致整個引導系統(tǒng)停止工作，會影響到無人機的安全降落，嚴重情況下無人機甚至會丟失墜毀。目前，在滑跑起降無人機的安全回收中，很少有無人機具備應急的著陸引導系統(tǒng)，當GPS出現(xiàn)故障和問題時，無人機操作手只能開啟手動遙控飛機降落或者靠精度較差的無線電引導來使無人機降落，這導致無人機可以安全降落的幾率大大降低。因此，隨著無人機著陸引導在現(xiàn)代無人機中的作用越來越重要，有必要設(shè)計一種在無人機無GPS情況下應急著陸引導的方法，從而保證無人機的精確著陸，增加無人機降落時的安全性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于無線電和激光引導的無人機應急著陸方法，可以在無GPS情況下實現(xiàn)無人機的精確安全著陸。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種基于無線電和激光引導的無人機應急著陸方法，方法依托的設(shè)備包括激光掃描器、激光接收器和數(shù)據(jù)處理器；激光掃描器安裝在跑道一端的盡頭，掃描中心對準跑道中心線，以正負5度到正負10度的掃描范圍發(fā)出片狀激光束，兩個激光接收器安裝在無人機機翼的兩個端部，通過線纜與數(shù)據(jù)處理器連接，數(shù)據(jù)處理器安裝在無人機的設(shè)備艙內(nèi)；在無人機的飛行控制系統(tǒng)判斷接收的GPS數(shù)據(jù)出現(xiàn)故障時，應急著陸方法步驟如下:(I)屏蔽掉GPS數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入無線電引導模式，地面測控站通過無線電將無人機到地面測控站的距離、方位角、俯仰角和地面測控站的GPS經(jīng)緯度信息發(fā)送至無人機的飛行控制系統(tǒng)；(2)無人機的飛行控制系統(tǒng)根據(jù)接收的無人機到地面測控站的距離、方位角、俯仰角和地面測控站的GPS經(jīng)緯度信息，粗略推算出無人機的經(jīng)緯度信息，無人機飛行控制系統(tǒng)根據(jù)推算出的經(jīng)緯度信息進行自主導航，直至飛入進場窗口 ；(3)無人機根據(jù)地面測控站的無線電引導，沿著跑道中線方向定高平飛；(4)進入激光引導窗口，即無人機飛行至距離跑道近端頭8到10公里的位置，判斷激光接收器是否接收到激光掃描器發(fā)出的激光信息，若沒有接收到，轉(zhuǎn)步驟(5)，否則轉(zhuǎn)步驟⑶;(5)無人機維持原飛行狀態(tài)，在此過程中繼續(xù)判斷激光接收器是否接收到激光掃描器發(fā)出的激光信息，與此同時飛行控制系統(tǒng)判斷無人機距離跑道近端頭的距離是否低于5公里，若低于5公里，則控制無人機復飛返場，從步驟(4)重新開始；(6)數(shù)據(jù)處理器根據(jù)接收的激光信息確定無人機當前的方向以及無人機與激光掃描器之間的距離，無人機飛行控制系統(tǒng)根據(jù)無人機當前方向調(diào)整無人機以正對跑道中心的方向飛行，并根據(jù)無人機與激光掃描器之間的距離控制無人機在跑道上安全著陸。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為:(I)為了克服機載GPS設(shè)備一旦發(fā)生故障或者GPS信號被干擾和丟失情況下導致整個無人機引導系統(tǒng)停止工作而無法安全著陸的不足，本發(fā)明設(shè)計了一種應用于無人機的應急著陸方法，通過將著陸過程分成遠距離引導和近距離引導兩部分，分別通過無線電進行遠距離粗調(diào)，通過激光引導取代GPS接收機所得到的相關(guān)信息進行精調(diào)，保證無人機的安全降落。(2)本發(fā)明在安全著陸過程中，采用傳統(tǒng)可靠的進場窗口，通過設(shè)置著陸安全最低限，在沒有進入安全最低限前接收到激光信息時，能夠保證無人機有足夠的時間和距離進行安全著陸，否則，通過重新返場的方式進一步提高無人機著陸的安全性。


圖1是本發(fā)明遠距離無線電引導過程示意圖；圖2是本發(fā)明近距離激光引導過程示意圖；圖3是本發(fā)明無人機進場、應急引導與復飛不意圖；圖4是本發(fā)明激光掃描、引導示意圖；圖5是本發(fā)明應急著陸方法的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做詳細說明，為了更好的理解本發(fā)明，下面首先對本發(fā)明依托的設(shè)備進行解釋。本發(fā)明依托的設(shè)備包括激光掃描器、激光接收器和數(shù)據(jù)處理器；激光掃描器安裝在跑道一端的盡頭，掃描中心對準跑道中心線，以正負5度到正負10度的掃描范圍發(fā)出片狀激光束，掃描頻率一定。兩個激光接收器安裝在無人機機翼的兩個端部，通過線纜與數(shù)據(jù)處理器連接，數(shù)據(jù)處理器安裝在無人機的設(shè)備艙內(nèi)，通過串口與飛控計算機相連。如圖5所示，無人機在執(zhí)行任務時，地面測控站計算機把地面測控站GPS接收機送來的位置數(shù)據(jù)與測控站的實際位置數(shù)據(jù)不斷進行比較，得到位置修正量，并通過地面測控站的無線電臺發(fā)射出去。機載計算機把GPS接收機送來的飛機位置數(shù)據(jù)與無線電接收機送來的位置修正量進行數(shù)據(jù)處理，得到比較準確的位置數(shù)據(jù)，再把該數(shù)據(jù)與預定航線進行比較得到實際航跡點偏離預定航線的誤差信號，并把它送到飛行控制系統(tǒng)，使飛機回到預定航向上，完成飛行任務時的自主GPS導航；當飛機需要降落時，機載計算機得到的比較準確的GPS位置數(shù)據(jù)確定當前航跡，并與預定下滑航跡進行比較，得出偏差，并把偏差量送到飛行控制系統(tǒng)，飛行控制系統(tǒng)控制無人機的飛行位置，使其跟蹤降落下滑航線，按照預先規(guī)劃的航線安全降落。當機載GPS設(shè)備發(fā)生故障，或者GPS信號受到干擾和丟失時，將會導致上述無人機的正常工作流程無法順利進行，飛機的飛行任務和降落過程都會受到影響，飛行控制系統(tǒng)由于得不到有效的GPS數(shù)據(jù)進而無法準確的控制飛機航跡，更無法精確將無人機引導著陸。
本發(fā)明正是為了解決上述問題而設(shè)計的技術(shù)方案，主要包含遠距離無線電引導和近距離激光引導兩部分。
一、遠距離無線電引導
遠程無線電引導階段，從機載GPS發(fā)生故障后由地面測控站用無線電引導飛機到達進場窗口至激光引導窗口為止。在圖1中，遠程無線電引導的主要構(gòu)成是地面測控站。它是無人機自帶的地面測控站，由于需要提供相對準確的無線電測角，所以需要將測控站準確的平行或者垂直于跑道進行固定，并與經(jīng)過標定的跑道航向進行初始校準，使得地面測控站的GPS信息滿足精度要求。
具體步驟如下:
(I)屏蔽掉GPS數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入無線電引導模式，地面測控站通過無線電將無人機到地面測控站的距離、方位角、俯仰角和地面測控站的GPS經(jīng)緯度信息發(fā)送至無人機的飛行控制系統(tǒng)；
(2)無人機的飛行控制系統(tǒng)根據(jù)接收的無人機到地面測控站的距離、方位角、俯仰角和地面測控站的GPS經(jīng)緯度信息，如圖1所示，粗略推算出無人機的經(jīng)緯度信息，無人機飛行控制系統(tǒng)根據(jù)推算出的經(jīng)緯度信息進行自主導航，直至飛入進場窗口 ；
如圖3所示，進場窗口定義為距離機場跑道近端頭13-15公里，高度500-800米的范圍。
無人機通過無線電與地面測控站完成數(shù)據(jù)通信，地面測控站具備無線電信號搜索、跟蹤和定位功能，可以使無人機始終沿無線電指示軌跡飛行；測控站天線具有兩軸伺服系統(tǒng)，通過伺服系統(tǒng)的方向傳感器測量天線的水平和俯仰角度變化進而獲取無人機的方位角和俯仰角，給出無人機當前航跡與預定航跡的偏差，同時通過無線電信號測距裝置就可以提供無人機相對于地面測控站的位置，再根據(jù)地面測控站的已預先采集的地面測控站GPS位置信息就可以完成對無人機的粗略定位。最后，經(jīng)無線數(shù)傳電臺將這些信息傳送到飛行控制系統(tǒng)，對無人機航跡進行修正，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)來控制飛機。無人機通過推算出來的位置信息和自身高度傳感器給出的高度信息，就可以完成在無GPS情況下的自主導航，飛到指定區(qū)域。
當然，此過程也可以通過人工根據(jù)無人機傳輸至地面測控站的無人機經(jīng)緯度信息進行人工導航，直至飛到制定區(qū)域。
(3)無人機根據(jù)地面測控站的無線電引導，沿著跑道方向定高平飛；
遠距離無線電引導過程中，無人機需要以固定高度飛行，航程約5 7km，這個過程中，在飛機到達激光引導窗口之前，飛機要飛入激光掃描光束的扇形區(qū)域內(nèi)。在遠距離無線電引導階段激光掃描設(shè)備就需要開啟并進行掃描。
二、近距離激光引導
近距離激光引導是從激光引導窗口至著陸階段。近距離激光引導中需要利用的設(shè)備包括無人機上自帶的磁航向儀。預先在跑道上根據(jù)已經(jīng)標定好的跑道航向，對磁航向儀的偏差進行修正，用做無人機飛行和應急著陸航向控制和滑跑控制。
具體步驟如下:(4)進入激光引導窗口，即無人機飛行至距離跑道近端頭8到10公里的位置，判斷激光接收器是否接收到激光掃描器發(fā)出的激光信息，若沒有接收到，轉(zhuǎn)步驟(5)，否則轉(zhuǎn)步驟⑶;(5)無人機維持原飛行狀態(tài)(方向及高度)，并判斷無人機距離跑道近端頭的距離是否低于5公里，若低于5公里，則控制無人機復飛返場，從步驟(4)重新開始；(6)數(shù)據(jù)處理器根據(jù)接收的激光信息確定無人機當前的方向以及無人機與激光掃描器之間的距離，無人機飛行控制系統(tǒng)根據(jù)無人機當前方向調(diào)整無人機以正對跑道中心的方向飛行，并根據(jù)無人機與激光掃描器之間的距離控制無人機在跑道上安全著陸。這里激光掃描器以某一固定頻率向外發(fā)射脈沖激光束，并且對脈沖激光束進行了編碼工作，即不同的掃描角度處的激光脈沖信息不同，由此可以確定出激光接收器接收到的激光束所攜帶的方位信息。圖4中的β i和β 2就是兩個激光接收器(Al、Α2)與激光掃描器連線和跑道中線所成的角度，此時假設(shè)無人機與和垂直跑道中線垂直線L所成角度供飛行，P角可以由飛機上的磁航向儀給出，那么就可以根據(jù)幾何關(guān)系求出圖中所示的91和Θ 2角，兩激光接收器的安裝距離D是已知量，再由三角關(guān)系就能求出圖中所示的R，也就可以計算出激光發(fā)射器到無人機的距離S，這里無人機的高度信息由無線電高度表給出，根據(jù)
勾股定理可以計算出無人機的高度角。無人機的側(cè)偏角由β i和β 2確定(# =/J)，
高度角由S和無線電高度表來求出，由此可以確定無人機的方向信息(高度角，側(cè)偏角)和位置信息(距離S，無人機的經(jīng)緯度等)，其中所得的側(cè)偏角是無人機應急著陸的所需的重要參考信息。無人機飛行控制系統(tǒng)根據(jù)無人機當前側(cè)偏角調(diào)整無人機以正對跑道中心的方向飛行，將當前高度角與預先設(shè)定的高度角(4度一般)進行比對，調(diào)整無人機的飛行高度，控制高度差，使其跟蹤預先設(shè)定的降落下劃線，并根據(jù)無人機與激光掃描器之間的距離控制無人機在跑道上安全著陸。本發(fā)明未詳細說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。
權(quán)利要求
1.一種基于無線電和激光引導的無人機應急著陸方法，其特征在于:方法依托的設(shè)備包括激光掃描器、激光接收器和數(shù)據(jù)處理器；激光掃描器安裝在跑道一端的盡頭，掃描中心對準跑道中心線，以正負5度到正負10度的掃描范圍發(fā)出片狀激光束，兩個激光接收器安裝在無人機機翼的兩個端部，通過線纜與數(shù)據(jù)處理器連接，數(shù)據(jù)處理器安裝在無人機的設(shè)備艙內(nèi)；在無人機的飛行控制系統(tǒng)判斷接收的GPS數(shù)據(jù)出現(xiàn)故障時，應急著陸方法步驟如下: (1)屏蔽掉GPS數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)入無線電引導模式，地面測控站通過無線電將無人機到地面測控站的距離、方位角、俯仰角和地面測控站的GPS經(jīng)緯度信息發(fā)送至無人機的飛行控制系統(tǒng)； (2)無人機的飛行控制系統(tǒng)根據(jù)接收的無人機到地面測控站的距離、方位角、俯仰角和地面測控站的GPS經(jīng)緯度信息，粗略推算出無人機的經(jīng)緯度信息，無人機飛行控制系統(tǒng)根據(jù)推算出的經(jīng)緯度信息進行自主導航，直至飛入進場窗口: (3)無人機根據(jù)地面測控站的無線電引導，沿著跑道中線方向定高平飛； (4)進入激光引導窗口，即無人機飛行至距離跑道近端頭8到10公里的位置，判斷激光接收器是否接收到激光掃描器發(fā)出的激光信息，若沒有接收到，轉(zhuǎn)步驟(5)，否則轉(zhuǎn)步驟(6)； (5)無人機維持原飛行狀態(tài)，在此過程中繼續(xù)判斷激光接收器是否接收到激光掃描器發(fā)出的激光信息，與此同時飛行控制系統(tǒng)判斷無人機距離跑道近端頭的距離是否低于5公里，若低于5公里，則控制無人機復飛返場，從步驟(4)重新開始； (6)數(shù)據(jù)處理器根據(jù)接收的激光信息確定無人機當前的方向以及無人機與激光掃描器之間的距離，無人機飛行控制系統(tǒng)根據(jù)無人機當前方向調(diào)整無人機以正對跑道中心的方向飛行，并根據(jù)無人機與激光掃描器之間的距離控制無人機在跑道上安全著陸。
全文摘要
一種基于無線電和激光引導的無人機應急著陸方法，方法依托的設(shè)備包括激光掃描器、激光接收器和數(shù)據(jù)處理器；激光掃描器安裝在跑道一端的盡頭，掃描中心對準跑道中心線，以正負5度到正負10度的掃描范圍發(fā)出片狀激光束，兩個激光接收器安裝在無人機機翼的兩個端部，通過線纜與數(shù)據(jù)處理器連接，數(shù)據(jù)處理器安裝在無人機的設(shè)備艙內(nèi)；在無人機的飛行控制系統(tǒng)判斷接收的GPS數(shù)據(jù)出現(xiàn)故障時，通過遠距離無線電引導和近距離激光引導兩部分實現(xiàn)無人機的應急著陸。
文檔編號G05D1/10GK103149938SQ20131011950
公開日2013年6月12日 申請日期2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月8日
發(fā)明者蔡永恒, 王剛, 李剛 申請人:中國航天空氣動力技術(shù)研究院