文摘

近年来,受技术进步和无人机(UAV)的突出表现在一些局部战争,无人机行业发生了爆炸性的发展,广泛应用于通信继电器、物流、测绘、巡逻、监控等领域。垂直起降固定翼无人机的优点有垂直起飞和降落的旋翼机和长耐力的固定翼无人机的优点,扩大其应用领域,是目前最受欢迎的无人机。最近,固定翼无人机故障分析强调巡航引擎关闭紧急着陆是最常见的原因,也是一个管理因素对垂直起降(VTOL)固定翼无人机的失败。然而,后者的紧急着陆轨迹引擎关闭后无人机类型不同,传统的固定翼无人机由于垂直起落电力系统。因此,刺激了需求的起降固定翼无人机的安全紧急着陆轨迹,本文发展一个架构的能力这样的平台的安全紧急着陆。建议的方法开发一个粒子垂直起降无人机动力学模型,分析了其气动特性利用计算流体动力学(CFD)的结果。无人机的轨迹对于增强规划分为三部分。指导阶段,初始位置和航向角是任意的。因此,杜宾横向距离和最短最快的下降轨道采用快速引导窗口上方的无人机着陆。螺旋阶段包括圆锥和圆柱部分结合可变的螺旋下降轨迹半径对能源管理和着陆过程对齐。 Given the limited energy storage of VTOL power systems, the landing stage exploits an optimal control trajectory problem solved by a Gaussian pseudospectral method, involving trajectory conventional landing planning, unpowered landing, distance optimal landing, and wind-resistant landing. All trajectories meet the dynamics constraints, terminal constraints, and sliding performance constraints and cover both 2-dimensional and 3-dimensional trajectories. A large number of simulation experiments demonstrate that the proposed trajectories manage broad applicability and strong feasibility for VTOL fixed-wing UAVs.

1。介绍

固定翼无人驾驶飞行器(无人机)和垂直起降(VTOL)功能不需要跑道起飞和降落,显著减少事故的风险在这两个命运多舛的飞行阶段。此外,垂直起落平台承担更广泛的应用领域的环境中执行任务(1]。此外,垂直起降无人机涉及multirotor模式在起飞和降落,简化操作人员的控制。因此,一键自动起飞和降落都容易,提高可靠性和安全性在这些飞行阶段,和负担非专业和非技术用户利用无人机2,3]。垂直起降无人机飞行包括multirotor、过渡,和固定翼阶段,紧随其后的是一个典型的飞行任务剖面。一个完整的垂直起落飞行剖面如图1,与相应的飞行阶段分析如下:起飞:无人机起飞垂直multirotor模式,直到达到一个安全的高度。然后水平巡航引擎开始提供无人机水平加速度。加速转型:在早期阶段,速度压力较低,因此产生的升力翼不平衡重力施加multirotor的无人机飞行模式。当速度大于失速速度时,转子停止工作,在固定翼无人机进入巡航阶段模式。减速过渡:无人机巡航引擎关闭,保留了其飞行高度,并减慢。当速度小于失速速度,转子系统被激活,无人机继续减速。登陆:当速度低于一个阈值,例如,0.5 m / s,无人机在multirotor土地垂直模式。

在起飞、过渡和着陆阶段,八个旋翼产生升力平衡重力和控制的态度。如果无人机在multirotor运营模式需要满足一定程度的风的阻力,垂直起落能力必须有一个大的保证金(保证金系数 ),从而改善电池组为权力转子提供额外的力量(能力)是必要的。相反,转子不运行在巡航阶段,和改善电池组重量,显著减少负载。因此,减少改善电池组重量是强制性的,以满足性能指标,例如,风的阻力(4,5]。

当前的解决方案包括增加锂离子电池的能量密度或开发一个合理的规划策略来提高能源效率在着陆阶段条件下有限的能源储备。前者解决方案目前正在由一个技术瓶颈,在可预见的未来难以克服。因此,有必要研究着陆轨迹规划引擎关闭或后紧急着陆轨迹优化能源消耗有限的能源存储在垂直起落电力系统。

在[6),高斯pseudospectral方法(GPM)和电弧过渡方法利用近空间计划的初始下降阶段的轨迹滑行车,分别。仿真结果强调所有的约束都可以满足使用提出的两个方法。此外,电弧过渡方法不需要传统的名义攻角设计,可以应用在线计算成本较低。的工作(7]表明流量优化一个典型的点对点的轨迹高空太阳能固定翼无人机的任务,和最优路径是相对于当前固定的高度常速路径。结果表明,提出的最优路径提供更多的能量利润,提高电池组的最终状态18.8%收费。2 d水平轨迹为大型固定翼无人机停电的紧急降落在[设计8]。该方法利用平面几何位置分析和使用平衡滑翔的原则来设计高度轨迹部分。尽管这个方法理论上声音,它缺乏实际工程验证。文献[9)调查了紧急逃生路线轨迹垂直起降固定翼无人机引擎关闭后不考虑从着陆轨迹窗口向地面,这是至关重要的垂直起落无人机或固定翼无人机安全着陆。

大部分的紧急着陆轨迹规划的研究很少考虑传统的固定翼飞机和调查垂直起降无人机。然而,紧急着陆轨迹对垂直起降无人机安全至关重要,而且,最重要的是,传统的固定翼飞机的轨迹是非常不同的。因此,本文利用流量计划填补这一研究空白着陆轨迹通过求解最小能源消耗和有限的能量储存最长的和最短的飞行距离的问题。与此同时,引擎关闭后紧急着陆轨迹。

剩下的纸是组织如下:部分2固定翼垂直起降无人机数学模型,而部分3平台基于空气动力学分析计算流体动力学(CFD)模拟。部分4介绍了状态和控制约束和部分5该方法在几个飞行轨迹的挑战。最后,部分6总结这项工作。

2。数学模型

实验平台是一个具有双尾翼撑结构的固定翼无人机,八个转子的添加提供垂直起落能力(图2)。

在我们的试验中,我们考虑质心的动力学方程在飞行轨迹坐标系统和无人机地面参考系的运动方程。无人机的质心运动可以描述利用动量定理: 在哪里无人机的质量,代表了速度矢量和是外力向量的质心。飞行路径上的质心动力学方程投影坐标系统可以表示为(10] 在哪里是发动机推力,代表转子拖动的合力,显示了转子的合力抬起,正值身体的协调,D和l是固定翼的气动阻力和升力部队,分别。此外, 表示从风能转换矩阵,身体,和地球表面的参考帧路径坐标系,分别。然后, 在哪里是攻角(AoA),是轨道倾角(飞行路线角),表示跟踪方位角展示了跟踪银行角度(11]。

在空间确定无人机的飞行轨迹,质心的运动方程需要建立(12]: 在哪里 , ,和在地球表面坐标参考系原点吗位于发射地面点。一个完整的外力分布设置呈现在图3,在那里O无人机的质心和吗O′的投影到飞机。牛_b是X设在身体的框架,牛_b”的投影牛_b在水平面是螺旋角满足方程没有卷和侧滑发生时:

3所示。空气动力特性

图4说明了空气动力学分析采用CFD模拟。升力系数(CL)增加线性和AoA变化从不同−5°12°,最大值接近1.76。图4(一)表明,关键的AoA是16°,提供一个好的提升性能。

当马赫数 ,升阻(l/D)特征见图4(c)。具体来说,最大升阻比接近14.5,与良好的升力系数约为1.2。结合图4与图()4(c),良好的AoA 4°6°,当AoA超过8°时,阻力急剧增加。

图4(d)提出了极坐标曲线马赫数 和飞行高度 。零升力阻力小于0.05,阻力系数(CD)对应的最大升力系数小于0.15,强调垂直起降无人机的阻力特性。

因此,图4(b)表明,减少电梯表面的效率是高当AoA在0°至6°。每个高程偏差程度提供一个0.62°AoA的变化,确保姿态控制精度高。

4所示。状态和控制约束

的流量接近状态和控制变量的最优控制问题,通过构造拉格朗日插值多项式。最优控制问题转化为一个非线性规划(NLP)问题的一系列代数约束利用导数来近似状态变量的导数有关时间13]。本节主要使用流量垂直起降无人机着陆轨迹设计利用GPOPS 5.0软件。

让状态向量 和控制向量 ,在哪里垂直起降动力系统的总能量存储,是角速率,表示巡航发动机的油门值,是节流转子发动机的价值。

定期航班,美国无人机的控制在正常范围内。然而,对于非标准的飞行环境,一些州或控制变量的范围可能会收紧,例如,当权力而飞,高度只会减少或只考虑垂直面运动速度和位移的水平面为零。此外,不同的轨迹将会获得不同的上限和下限控制变量,和表现功能,因此它是至关重要的选择合理的功能和性能上限和下限根据任务要求和飞行条件。

4.1。国家限制

在这项工作中,我们考虑以下州限制:(1)实验无人机方法从50米高度的巡航速度30 m / s,土地没有水平的力量。因此,高度的上限和下限分别是50 m和0 m。(2)理想的速度变化逐渐减少高度降低,一旦无人机触动,它的速度降为零。因此,速度的上限和下限是30 m / s, 0 m / s,分别。(3)考虑侧风的情况下,积极或消极的无人机飞行后的PE轴方法的方向。因此,上限和下限的方位角分别是90°和90°−。(4)在无人机没有巡航能力的情况下,只能改变飞行路线角分发组件重力方向速度,这是控制速度的变化的关键因素。因此,飞行路线角只能小于零。无人机土地垂直时,速度方向垂直于水平面,所以飞行路线角至少−90°。(5)假定的无人机飞行最高时速30 m / s的90年代,在这段时间和距离是最大飞行距离的方向PE或PN轴。因此,上限和下限的前进距离(和 )分别和0 2700。(6)当油门值转子发动机是60的multirotor模式中,无人机可以悬停在一个稳定的状态。的总能量被定义为油门和悬停时间的产物。总能量存储在垂直起落电力系统可以支持90年代的无人机盘旋。因此,上限和下限的总能量是5400和0,分别。(7)级巡航期间,无人机的修剪螺旋角是3°。考虑到AoA和飞行路线角的变化范围,使用方程(5),我们计算螺旋角的上限和下限分别是12°和−10°。

根据飞行阶段,即开始,中间,和终端,表1定义了几个州的上限和下限。

4.2。控制限制

设置控制上下限制在轨道阶段也是必不可少的。基于大量的试飞数据和经验,上限和下限的角速率之间可以获得 和 。由于横摇角大,跟踪银行角度仅限于±30°,防止损失和态度逆转。模拟没有巡航能力,克鲁斯的节流引擎永远是零。在multirotor模式下,姿态控制是通过每个电机的转速微分基本节流 。至少10%的微分控制变量必须用于姿态控制,这样每个电机的最大推动力是90%。因此,

4.3。路径约束

根据图4固定翼的最佳AoA模式在−5°15°。然而,AoA可以达到90°垂直降落期间,在气动力multirotor模式几乎是零。这个上限是非常关键的。常规固定翼飞机的AoA必须限于停滞AoA;否则,它会崩溃由于升力损失。但垂直起降无人机可以达到90°的AoA顺利垂直降落,因为额外的旋翼提供升力。最大下沉率仅限于4米/秒,根据滑移性能,飞机结构强度,并可以承受的最大过载。因此,限制在这个阶段的路径

4.4。成本函数

成本函数包含端点和被积函数的成本。设置端点成本函数(Φ)取决于最优控制问题研究;最低该降落的问题,例如,对于端点成本是飞行时间,而对于紧急降落,成本函数是向前飞行距离的端点。Φ是一个函数的终端价值向前飞行时间和飞行距离 。总的来说,成本函数给出的端点

稳定无人机的态度和光滑的飞行路径,我们设置了积分项的综合成本函数(J)的平方之和下沉率和飞行路线角的角速率14]。 在哪里k1,k2的重量系数。值越大,损失越大,表明高关注相应的项目。

5。轨迹规划

典型的轮式固定翼无人机着陆过程包括三个阶段:方法滑翔,耀斑着陆,和出租车15,16]。这些阶段是描绘在图5轨迹ABCD, AED轨迹被相应的垂直起降无人机。数学描述着陆轨迹,我们利用东北坐标系,起源点在哪里登陆窗口,PN轴的正方向指向北的方向,和PE轴的正方向指向东方向。

5.1。紧急降落

垂直起降无人机有自己的引擎关闭迫降由于垂直起落电力系统特征。电力系统的突出特点是不会被机场有限条件下,作为一个相对开放的地面附近的路线对紧急着陆来说是足够的。另一个特征包括势能从发动机关机点最近的崩溃点被普遍富裕。因此,应考虑多余的能量耗散。最后,进入登陆窗口后,无人机可以在multirotor模式或由旋转翼升力协助和执行向前滑翔着陆在一个较低的速度和下沉率。

垂直起降无人机而言,该着陆阶段组成的整个过程的引擎关闭位置着陆地点的指导,螺旋和着陆。整个轨迹如图6。

5.1.1。指导阶段(a - b)

考虑到最初的无人机是任意的立场和态度,引导无人机向着陆窗户是必要的。因此,我们采用横向距离最短杜宾侧向轨迹的方法,由弧 ,弧 ,和行(见图7),垂直,我们定义高度剖面利用滑动性能约束(17]。

在飞行中打转,无人机的下降高度成正比弧的半径和飞行路线角:

在垂直平面上,无人机在一个平衡滑动状态,因此方程(10)可以得到:

当升阻比 是最大的,飞行路线角是最浅的,对于一个给定的飞行距离是最低下降高度。

一般来说,垂直起降无人机的紧急着陆地点是附近的引擎关闭位置。因此,尽快减少无人机的身高,弧的半径和航向角调整应该大,最大飞行路线角在直线滑行阶段应作适当的调整 。

5.1.2中。螺旋轨迹阶段(c)

在这个阶段轨迹,无人机螺旋下降,不仅调整其航向角,驱散潜在的过剩的能量。大幅横摇角的结果在螺旋运动过度的举升力的损失,和加速度过载可能损害身体的结构。在这个阶段,无人机滑过平衡的盘旋半径

根据方程(9)和(11),尽快降低高度,在初始阶段,无人机需要大型螺旋半径,因此建议一个较小的滚动角。然而,随着无人机的高度降低,半径减少直到到达最低容许盘旋半径。如果飞行高度仍高于登陆窗口,无人机将继续螺旋从这个最小半径。海拔越高,无人机遇到的障碍越少,因此螺旋半径可以更广泛。然而,如果存在障碍,半径必须严格限制。尽快降低高度,一个锥形螺旋(蓝色曲线在图8)和一个更大的半径是设计的顶部螺旋部分,而圆柱螺旋轨迹图(红色曲线8)与一个固定的小半径(最小半径)设计在底部。在圆柱螺旋轨迹,无人机飞行相同数量的圈子里,最小半径越小,最小的高度降低。增加或减少圈的数量可以调整高度的高分辨率和调整航向角的范围0 - 360°,这有利于无人机的状态来满足需求的方法。

推荐的航向角路标C通常是迎着风的方向,和空中走廊应该在这个方向上是空的。

初始航向角、位置和高度的无人机发动机关机点的轨迹会影响指导和螺旋部分(见图9- - - - - -11)。事实上,仿真结果验证了提出的策略可以安全地引导无人机着陆窗口,满足安全着陆的航向和高度要求。

5.1.3。着陆阶段(c - d)

垂直起落电力系统提供无人机执行各种着陆轨迹一旦进入登陆窗口。轨迹与能源消耗速率,行动,持续时间和multirotor系统级的力量。一旦无人机总结C螺旋轨迹和通过端点C,无人机的航向角满足着陆要求,和路径规划侧重于纵向轨迹。

案例1。传统的着陆
当高度和风向满足着陆的要求和垂直起落的储能系统是充分的,无人机可以土地传统。对于一个控制变量 ,着陆轨迹在垂直平面如图12。
无人机露了头增加螺旋角,并使用阻力减速。在这个阶段,多电动机的模式被激活提供升力,使无人机能够减缓,同时飞行平(见图13)。前进的速度继续下降直到它变成零,并从固定翼无人机完成后的过渡模式multirotor模式,然后垂直降落。
最大下降速度是2.0米/秒。在整个着陆过程中转子运行和能耗只有60%的垂直起落,保证无人机在正常条件下安全着陆。通过优化轨迹,无人机着陆期间可以减少电池消耗,增加利润,并提高安全着陆。

例2。迫降
一旦无人机进入登陆窗口,它遵循了迫降轨迹如果multirotor系统失败。垂直起降无人机没有车轮,因此不能滑翔一旦触及地面。因此,它降落在一个较低的速度和下沉率。为控制变量 和 ,图14显示了迫降在垂直平面轨迹。
无人机增加速度方向的重力组件通过增加飞行路线角(图15),提供足够的飞行速度。大部分的飞行时间的处理方法(AoA)的接近有利的AoA涉及,而飞行路线角是在4°。高度下降相对温和,最大下沉速率为1.8 m / s。最后,无人机接触地面的前进速度22 m / s, 0.6 m / s的速度下落。尽管着陆轨迹控制,但仍然是一个高概率破坏机体的18]。

例3。距离优化着陆
鉴于垂直起落电力系统能量存储能力有限,有必要合理计划着陆轨迹向前飞行的距离。着陆地点对应的上下边界最远的距离最近的向前飞行轨迹,分别。我们的实验最近的距离只有250米,和轨迹是没有波动(图相对顺利16)。
通过图的综合分析17,得出速度降低,无人机增加了飞行路线角和AoA和保持一个常数最大下沉速度4 m / s。在它接近地面时,无人机可以减少其下沉率通过减少飞行路线角,最后顺利接触地面的控制下multirotor模式。
最小化前进距离,无人机降落在给定的下沉率的上限,和转子的力行为主要阻力方向相反的速度。垂直起落的能源消耗仅为18%保证金提供大量能量。
图18说明了最远的轨道前进距离,突出的无人机维持水平飞行一段时间降序。在这个阶段飞行路线角很小,接近3°,最大下沉速度为1.1米/秒(图19)。转子力矢量提供向前飞行的力量和速度是控制通过改变螺距角。无人机停的浅滑翔,迅速减少前进速度和下沉率。整个着陆过程非常顺利。
最远的距离是2249米,能源消耗是100%。在某种程度上,存储的能量决定了推进距离的轨迹19]。当点C的高度(登陆窗口的中心)是50米,250米和2249米之间的距离是(图20.)。螺旋部分的剩余高度不能减少着陆上通过一个完整的圆添加部分的高度点C的上下边界,20米和80米之间。因此,足够的登陆窗口的距离着陆点应该考虑(20.]。

例4。抗风降落
如果风向改变降落期间,无人机应该有一个特定的横向控制能力,以确保它土地逆风。最大银行角度的大小限制在30°和控制变量 。假设传入的气流方向分布之间−90°和90°,传入的气流方向的角值获得每10°估计最优轨迹的距离。
数据21和22说明的着陆地点分布作用下横向操纵在逆风的方向变化。绿色区域表示高概率的降落区。边界轨迹,比如最远和最近的轨迹,着陆地点的分布更加集中,影响较小的逆风方向(21]。

6。结论

本文着重于紧急着陆轨迹的垂直起降固定翼无人机。因此,它提出了一个螺旋下降轨迹半径与变量,提供能源管理和课程调整螺旋部分,在有限的条件下垂直起落电力系统的能量储存。我们的试验包括几个着陆轨迹,传统的无动力的,距离最优和防风着陆计划基于高斯pseudospectral方法应用在着陆区。模拟轨迹证明我们的方法的能力,满足动态,终端和滑动性能约束和起降固定翼飞机提供一个吸引人的解决方案。

6.1。限制

起降固定翼无人机是一个非常复杂的组合,因为之间的气动耦合转子系统和固定翼系统,很难用精确的数学模型描述它。着陆轨迹提出了在很大程度上是依赖于其气动特性,所以组装的气动特性在一定程度上限制轨迹的可用性。另一方面,无人机进入登陆后窗口,它遵循了迫降轨迹如果multirotor系统失败,所以总有一次机会迫降。

6.2。未来的范围

目前,垂直起降固定翼无人机包括tail-sitter无人机、倾转旋翼无人机,偏转翼无人机和固定转子无人机。本文提出的紧急着陆轨迹主要适用于固定转子起降固定翼无人机的安全着陆着陆在不同的环境中。在未来,合适的紧急着陆轨迹将进一步研究基于气动布局,飞行力学特征,和权力配置的三种类型的无人机。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果都包含在这篇文章中,但样本数据请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。