一种飞行器空中撞网回收的制导方法

技术领域

本发明涉及飞行器控制技术领域，尤其是涉及一种飞行器空中撞网回收的制导方法和系统。

背景技术

目前飞行器的传统回收方式包括撞网、撞线、降落伞、滑跑着陆和垂直着陆等地面回收方式。但受到回收场地的限制，传统回收方式无法在丛林、山地、水面等地方进行回收，极大地限制了飞行器的使用。

空中回收的优势在于可以扩大飞行器的作战半径，保证己方在安全情况下提高区域介入、拒止能力；突破回收场地的限制，整个回收过程可以机动完成，极大地方便了集群飞行器执行任务结束后快速脱离任务区域。

空中撞网回收是主要空中回收方式的一种。在进行空中撞网回收时，一般通过载机下方伸出兜网或者载机后方拖曳捕网等方式等待飞行器撞网。空中撞网回收具有快速、高效、技术要求低，方便多机同时进行等优点。

为了提高空中撞网回收的成功率，一般在回收前需要将飞行器与载机在撞网航线上调整状态。同时撞网航线中能进行回收的时间有限，回收的速度慢，不利于空中撞网回收的连续性和高效性。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种飞行器空中撞网回收的制导方法和系统。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种飞行器空中撞网回收的制导方法，其用于将撞网航线划分为p段，且控制飞行器在第p段航线与第q段航线执行不同的控制指令，以实现飞行器的撞网回收过程，其中p为大于等于2的整数，q表示1至p-1中的至少一者。

第二方面，本发明提供一种飞行器空中撞网回收的制导系统。该系统包括：

航线划分模块，其用于将撞网航线划分为p段，并将第p段航线设置为水平圆形轨迹，其中第p段航线与捕网的初始速度相切，且与第p-1段航线相切；

执行模块，其用于在第q段航线时，基于速度约束和/或碰撞角约束控制飞行器飞行，以及在第p段航线时，控制飞行器沿第p段航线飞行，使飞行器尾追撞网回收。

本发明的一种飞行器空中撞网回收的制导方法和系统所具有的有益效果包括：

(1)本发明的方法改进了之前撞网回收先需要预先进入航线，回收效率低的问题，尤其适用于载机静止或低速运动状态下的空中撞网回收；

(2)本发明的方法能够避免空中撞网回收中飞行器与捕网相向运动时飞行器需要绕到捕网后方，且这一过程中容易导致末端过载饱和、以及反向撞网导致回收失败的问题，实现全方位的空中撞网回收；

(3)本发明的方法对撞网回收的速度进行约束，保证捕网结构的安全性，且飞行器速度只在撞网时收敛到期望速度大小，从而提高回收作业效率。

附图说明

图1是现有技术飞行器空中撞网回收的轨迹示意图；

图2是本发明一种飞行器空中撞网回收的制导方法的流程示意图；

图3是本发明中导航坐标系与视线角示意图；

图4是本发明一种飞行器空中撞网回收的制导系统的结构示意图；

图5为本发明实施例1中撞网航线的轨迹示意图；

图6为本发明实施例1的仿真结果图；

图7为本发明实施例2的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

需要说明的是，在本文中，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……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在空中撞网回收过程中，有效撞击面积S

S

现有的空中撞网回收中，为了提高回收成功率，使飞行器能从捕网正面撞网，需要在回收前使飞行器与载机在航线上调整状态，如图1所示。这种撞网航线需要载机经常调整飞行状态，且撞网航线中能进行回收的时间有限，回收的速度慢，不利于空中撞网回收的连续性和高效性。

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种飞行器空中撞网回收的制导方法，该方法将撞网航线分为p段，在第q段航线时，采用基于速度约束和/或碰撞角约束的速度追踪法，使飞行器能够以较快速度到达第p段航线，在第p段航线时，使飞行器沿水平圆形轨迹正面尾追撞网回收，其中p为大于等于2的整数，q表示1至p-1中的至少一者。该方法在载机和捕网静止或低速运动时，能够实现空中撞网回收的连续性和高效性。

第一方面，本发明提供一种飞行器空中撞网回收的制导方法。该方法将撞网航线划分为p段，且控制飞行器在第p段航线与第q段航线执行不同的控制指令，以实现飞行器的撞网回收过程，其中p为大于等于2的整数，q表示1至p-1中的至少一者。例如p＝2，则q＝1，或者p＝4，则q＝1、2、3、1和2、1和3、2和3、或者1和2和3。

在本发明的实施环境为载机与飞行器(包括四旋翼飞行器或固定翼飞行器等)是合作目标，飞行器可以接收来自载机的差分GPS信号，或者依靠自身光电吊舱、激光雷达、超声波雷达等传感，实时获取飞行器和捕网的相对运动信息，包括相对位置和相对速度。在本发明中，将飞行器和捕网假设为理想质点模型。

具体地，如图2所示，该方法主要包括以下步骤：

步骤S101、将撞网航线划分为p段，并将第p段航线设置为水平圆形轨迹，其中第p段航线与捕网的初始速度相切，且与第p-1段航线相切。

在本发明中，设置一个虚拟坐标点(即第p段航线的起点)，避免飞行器和捕网相向运动(面对面飞行)时直接碰撞(即绕到捕网后面尾追入网)。

在本发明中，第p段航线为撞网航线的最后一段，因此需要使飞行器输入的控制量变化较少，整个飞行轨迹较平滑。即控制在p-1段航线的最后，使飞行器与捕网处于同一高度，飞行器在第p段航线做水平面上的运动，此时飞行器在圆形轨迹时只需要保持前飞速度不变，且滚转姿态角不变，最终快速实现飞行器的尾追入网。

其中，撞网航线的起点也就是第一段的起点为飞行器利用自身探测导航设备(光电球、激光雷达等)精准、稳定地识别到捕网所在位置，可以执行下一步撞网回收任务时，飞行器在导航坐标系中所在的位置。每段航线的终点为下一段航线的起点，直至整个撞网航线，第p段航线与第p-1段航线相切于第p段航线的起点处。

具体地，根据飞行器与捕网(或载机)的相对位置、相对速度，设计第p段航线的轨迹，即在水平方向上以一定半径与视线相切的水平圆形轨迹。

经研究发现，将第p段航线设置为水平圆形轨迹时，飞行器前飞速度保持不变时，半径越小，需要的滚转方向加速度(a

优选地，第p段航线的轨迹通过式一表示：

其中，x

v

经研究发现，v

如图3所示，本发明的导航坐标系的原点O

r为第p段航线的半径；t是当前制导时刻；t

θ

其中，x

捕网速度较慢时，不考虑距离变化导致第p段航线的起点沿圆形轨迹的变化；更优选地，第p段航线的起点位置信息通过式二获得：

其中，m、n分别表示在导航坐标系中，第p段航线的圆心在X轴方向和Y轴方向的位置分量；

z

z

第p段航线的圆心在初始时刻与捕网速度方向相垂直的线上；进一步地，m、n通过式三表示：

其中，c＝-1/tan(v

x

v

步骤S102、在第q段航线时，基于速度约束和/或碰撞角约束控制飞行器飞行，以及在第p段航线时，控制飞行器沿第p段航线飞行，使飞行器尾追撞网回收。

其中，飞行器以常规速度撞网，很容易破坏捕网结构。因此如何使飞行器在撞网时的速度收敛是本发明的关键。

经研究发现，当飞行器飞行时，可以通过速度约束和/或碰撞角约束使飞行器在撞网时收敛到期望速度。

另外，在撞网航线中，如果在初始阶段即对飞行器的速度约束和/或碰撞角约束，可能会导致回收效率降低，如何选择合适的阶段是本发明的另一关键。

经研究发现，当q优选为1至p-2中的至少一者和p-1、或者p-1，更优选q为p-1或者1至p-1的全部时，既能够使飞行器撞网时收敛到期望速度，又能够提高回收效率。

即例如p＝2，则q＝1；或者p＝4，则q＝3、1和3、2和3、或者1和2和3，更优选q＝3或者1和2和3。

优选地，当基于碰撞角约束时，飞行器的制导指令通过式四表示：

其中，a

k

d

V表示第q段航线中，飞行器的实时速度值，大小

λ

λ

其中，Δv

也就是Δv

其中，v

优选地，当基于速度约束时，飞行器的制导指令通过式五表示：

a

其中，a

k

其中，k

k

其中，飞行器距离捕网越远时，飞行器速度越大；飞行器距离捕网较近以及在第p段航线时，飞行器速度小，这样可以满足在撞网最终时刻飞行器速度较小，不会对捕网结构造成损伤；在距离捕网较远时以飞行器较高速度飞行，有利于减少撞网回收过程所需时间。因此，0

ΔR表示第q段航线中，飞行器与捕网间的相对位置值，

其中，当采用式四的制导指令时，仅能实现尾追碰撞角的控制，无法有效控制撞网时期望速度的大小，当采用式五的制导指令时，改变了期望速度的大小，但是飞行器速度方向角无法控制。在本发明中为了能够实现飞行器速度方向角与捕网速度方向角一致，即实现尾追捕网，又能够使飞行器达到期望速度，需要对飞行器进行速度约束和碰撞角约束。

优选地，基于速度约束和碰撞角约束时，在第q段航线中，飞行器的制导指令通过式六表示：

优选地，在第p段航线中，飞行器的制导指令通过式七表示：

其中，a

在本发明中，将撞网回收过程分为p段，第p段航线的起点，是本发明根据式二所设计的一个虚拟目标点。在q段航线，飞行器从第一段航线的起点开始进行空中撞网回收任务，通过式六的制导指令，飞行器从第q段航线的起点到达第p段航线的起点，不仅满足第p段航线所需的速度约束和碰撞角约束，还能够避免飞行器反向撞网。

将第p段航线设置为水平圆形轨迹，通过式七的制导指令，飞行器能够从第p段航线的起点沿着水平圆形轨迹绕到捕网后方入网。第p段航线中飞行器前飞的速度不变，转弯依靠飞行器固定滚转角提供的向心加速度，因此姿态控制简单、轨迹更加平滑且撞网精准度高。同时第p段航线中飞行器速度与第q段航线结束时的速度大小一致，均满足撞网速度约束，因此可以避免撞网速度过大导致捕网结构的破坏，且可以实现全向绕后尾追。

本发明的方法能够全面实现空中撞网回收，并且提高空中撞网回收的连续性和高效性。

第二方面，本发明提供一种飞行器空中撞网回收的制导系统。具体地，如图4所示，该系统主要包括以下模块：

航线划分模块401，其用于将撞网航线划分为p段，并将第p段航线设置为水平圆形轨迹，其中第p段航线与捕网的初始速度相切，且与第p-1段航线相切；

执行模块402，其用于在第q段航线时，基于速度约束和/或碰撞角约束控制飞行器飞行，以及在第p段航线时，控制飞行器沿第p段航线飞行，使飞行器尾追撞网回收。

本发明提供的飞行器空中撞网回收的制导系统，可用于执行上述第一方面描述的一种飞行器空中撞网回收的制导方法，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。

优选地，本发明一种飞行器空中撞网回收的制导系统中各个模块可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中或在两者的组合中。

软件模块可驻留在RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可装卸盘、CD-ROM或此项技术中已知的任何其它形式的存储介质中。示范性存储介质耦合到处理器，使得处理器可从存储介质读取信息和向存储介质写入信息。

处理器可以是中央处理单元(英文：Central Processing Unit，简称：CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(英文：Digital Signal Processor，简称：DSP)、专用集成电路(英文：Application Specific Integrated Circuit，简称：ASIC)、现场可编程门阵列(英文：Field Programmable Gate Array，简称：FPGA)或其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或其任何组合等。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、结合DSP核心的一个或一个以上微处理器或任何其它此类配置。在替代方案中，存储介质可与处理器成一体式。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替代方案中，处理器和存储介质可作为离散组件驻留在用户终端中。

实施例

捕网A在导航坐标系下(300，40，50)m处静止，捕网A背向X轴负方向；飞行器在点O(0，0，0)处，点O为撞网航线的起点，初速度v

将撞网航线划分为2段，即第一段航线OC和第二段航线CA，如图5所示，第二段航线在捕网A速度垂线上以点B为圆心，半径r＝40m的水平圆形轨迹，且点O引出的射线(第一段航线)与第二段航线相切的点C为第二段航线的起点。

即，第二段航线的轨迹通过式一表示：

其中，x

其中，点C坐标为(x

在点C处添加两段航线相切的速度约束，点C处的速度约束(v

其中点B坐标为(m,n)，其中m、n通过式三表示：

其中，c＝-1/tan(v

x

在第一段航线时，基于速度约束和碰撞角约束控制飞行器飞行。

具体地，在第一段航线中，飞行器的制导指令通过式六表示：

其中，a

k

ΔR表示第一段航线中，飞行器与捕网间的相对位置值，

V表示在第一段航线中，飞行器的实时速度值，

λ

λ

其中，Δv

其中，v

在第二段航线中，飞行器的制导指令通过式七表示：

其中，a

具体仿真结果如图6a)～c)所示。图6a)为捕网回收三维轨迹示意图；图6b)为飞行器的速度曲线示意图；图6c)为飞行器的加速度曲线示意图。

从图6中可以看出，飞行器经过26.2s从捕网航线点O到达第二段航线的起点点C，随后沿第二段航线CA段绕到捕网后方撞网，实现空中撞网回收。

捕网A在导航坐标系下(250，40，20)m处，捕网A速度为v

与实施例1相似的实验过程，区别仅在于，在第一段航线时，基于碰撞角约束控制飞行器飞行。

其中，在第一段航线中，飞行器的制导指令通过式四表示：

其中，a

V表示在第一段航线中，飞行器的实时速度值，

λ

λ

其中，Δv

其中，v

具体仿真结果见图7a)～e)。图7a)为飞行器与捕网的相对距离变化示意图；图7b)为捕网回收三维轨迹示意图；图7c)为飞行器的速度曲线示意图；图7d)为飞行器的加速度曲线示意图；图7e)为飞行器与捕网的水平方向航向速度角变化示意图。

从图7a)中可以看出，飞行器经过31.5s飞行与捕网的相对距离收敛到0，三维航线轨迹如图7b)所示。从图7c)和7e)可以看出，在水平面上，末端飞行器速度方向角与捕网速度方向角一致，即实现尾追，加速度曲线如图7d)所示。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。