一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法与流程

1.本发明涉及无人机预测领域，具体涉及一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法。


背景技术：

2.本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
3.利用大型无人机搭载运输空投吊舱是一种用于物资投送、转移的搭载方式，实现了运输场景的多样性和时效性，特别是对于在海岛、边防的偏远地区，缺乏机场跑道的建设，空投吊舱价值较高，应用前景广。
4.为了降低投送物资的损坏率，通常情况下，空投吊舱采用伞降的模式，但是伞降空投容易受风速、风向影响，空投散布面积大；出于保证空投区域的准确性考虑，地面遥控空投、自动寻的空投的方式方法得到了广泛应用。
5.然而，地面遥控空投、自动寻的空投需要在空投吊舱内部增加控制和反馈传感器，增加了空投吊舱的自身重量，减少了空投吊舱的物资载重，性价比不高。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于：针对于空投伞降吊舱，与大型无人机投放分离后，在空投吊舱内无传感器、无控制手段、大气风客观存在的情况下，如何预测空投伞降吊舱的运动轨迹，以及如何实现精准投送和低成本投送的问题，提供了一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法，可实现吊舱轨迹和降落点的精确预测，同时成本较低，从而解决了上述问题。
7.本发明的技术方案如下：一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法，包括：步骤s1：采用投放海拔高度对应的风速、风向和地面海拔高度对应的风速、风向，建立投放高度层风模型；步骤s2：建立伞降空投吊舱运动轨迹坐标系；步骤s3：基于投放高度层风模型和空投伞降吊舱运动轨迹坐标系，将伞降空投吊舱运动形式分为伞未开和伞打开两个阶段，分别进行动力学和运动学分析，最后形成三维运动轨迹，实现空投吊舱轨迹和降落点的精确预测。
8.进一步地，所述步骤s1，包括：风向定义：从正北方向吹来定义为0
°
、从正东方向吹来定义为90
°
、从正南方向吹来定义为180
°
、从正西方向吹来定义为270
°
。
9.进一步地，所述投放高度层风模型根据投放海拔高度对应的风速、风向和地面海拔高度对应的风速、风向，获取不同海拔高度的风速、风向。
10.进一步地，所述投放高度层风模型，包括：，
式中：表示系数，。
11.进一步地，所述步骤s2，包括：以无人机预定投放分离点为坐标原点，平行于地平面建立xy轴，其中与航迹方向平行定义为x轴，向前为正，向后为负；与航迹方向垂直定义为y轴，向右为正，向左为负；z轴方向沿用海拔高度定义。
12.进一步地，所述步骤s3，包括：步骤s31：空投吊舱伞未开阶段轨迹预测；步骤s32：空投吊舱伞打开阶段轨迹预测；步骤s33：基于伞未开阶段轨迹预测结果和伞打开阶段轨迹预测结果，形成三维运动轨迹。
13.进一步地，所述步骤s31，包括：以无人机投放空投吊舱开始计时，秒后空投吊舱位置定义为（，，），空投吊舱轨迹为：x方向：；y方向：；z方向：；当，伞完全打开，此时空投吊舱位置定义为(，，)，其中：x方向：；y方向：；z方向：；式中：表示空投吊舱开伞减缓时间；表示无人机投放窗口对应的地速；表示重力加速度。
14.进一步地，所述步骤s32，包括：步骤s321：求取空投吊舱下沉速度；步骤s322：求取空投吊舱下沉时间；步骤s323：求取空投吊舱方向轨迹；步骤s324：求取空投吊舱方向轨迹；步骤s325：求取空投吊舱方向轨迹。
15.进一步地，所述步骤s321，包括：
式中：表示空投吊舱重量；表示不同海拔高度对应的空气密度；表示开伞后伞面积；表示开伞后当量阻力系数；所述步骤s322，包括：所述步骤s323，包括：式中：表示无人机投放窗口对应的航迹角；所述步骤s324，包括：所述步骤s325，包括：。
16.进一步地，还包括：如果要达到空投吊舱伞降至指定区域的目的，可改变无人机投放窗口和飞行航迹，具体如下：以无人机预定投放分离点为坐标原点，如果为正，无人机应提前投送空投吊舱，距离预定投放分离点米；如果为负，无人机应推迟投送吊舱，距离预定投放分离点米；如果为正，无人机应偏离预定航迹线左侧飞行，距离预定航迹线米；如果为负，无人机应偏离预定航迹线右侧飞行，距离预定航迹线米。
17.与现有的技术相比本发明的有益效果是：一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法，包括：步骤s1：采用投放海拔高度对应的风速、风向和地面海拔高度对应的风速、风向，建立投放高度层风模型；步骤s2：建立伞降空投吊舱运动轨迹坐标系；步骤s3：基于投放高度层风模型和空投伞降吊舱运动轨迹坐标系，将伞降空投吊舱运动形式分为伞未开和伞打开两个阶段，分别进行动力学和运动学分析，最后形成三维运动轨迹，实现空投吊舱轨迹和降落点的精确预测；其在空投吊舱内无传感器、无控制手段的前提下，即可实现吊舱轨迹和降落点的精确预测，成本较低。
附图说明
18.图1为一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法的流程图；图2为实施例二中的伞降空投吊舱运动轨迹侧视图；图3为实施例二中的伞降空投吊舱运动轨迹俯视图；图4为实施例二中的伞降空投吊舱运动轨迹后视图。
具体实施方式
19.需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
20.下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
21.实施例一本实施例针对于空投伞降吊舱，与大型无人机投放分离后，在空投吊舱内无传感器、无控制手段、大气风客观存在的情况下，如何预测空投伞降吊舱的运动轨迹，以及如何实现精准投送和低成本投送的问题，提供了一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法，首先采用投放海拔高度对应的风速、风向和地面高度对应的风速、风向，建立一种指数形式的投放高度层风模型，工程上符合统计规律，更接近实际情况；其次为规避掉风的剧烈变化、减少空投时间间隔以及避免落地时伞未打开，通过理论计算或实际投放摸底试验选择合适的投放高度；而后将伞降空投吊舱运动形式分为伞未开和伞打开两个阶段，分别进行动力学和运动学分析，最后形成三维运动轨迹，可以实现吊舱轨迹和降落点的精确预测；也可以通过控制无人机改变投放窗口和飞行航迹的措施，达到空投伞降至指定区域的目的，成本较低。
22.首先，需要说明的是，使用本实施例中的预测方法需要如下输入条件：无人机投放窗口对应的地速，单位为：千米/小时；无人机航迹角，单位：度；空投吊舱重量，单位：千克；开伞后伞面积，单位：平方米；开伞后当量阻力系数；空投吊舱开伞减缓时间，单位：秒；投放海拔高度，单位为：米；投放海拔高度对应的风速、风向，单位分别为：米/秒、度；地面海拔高度，单位：米；地面海拔高度对应的风速、风向，单位分别为：米/秒、度；
不同海拔高度对应的空气密度，单位：千克/立方米；重力加速度，单位：米/秒2。
23.在本实施例中，请参阅图1，一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法，具体包括如下步骤：步骤s1：采用投放海拔高度对应的风速、风向和地面海拔高度对应的风速、风向，建立投放高度层风模型；步骤s2：建立伞降空投吊舱运动轨迹坐标系；步骤s3：基于投放高度层风模型和空投伞降吊舱运动轨迹坐标系，将伞降空投吊舱运动形式分为伞未开和伞打开两个阶段，分别进行动力学和运动学分析，最后形成三维运动轨迹，实现空投吊舱轨迹和降落点的精确预测。
24.在本实施例中，具体的，所述步骤s1，包括：风向定义：从正北方向吹来定义为0
°
、从正东方向吹来定义为90
°
、从正南方向吹来定义为180
°
、从正西方向吹来定义为270
°
；即其他风向等比换算成角度即可，换算过程本领域技术人员能够知晓，在此不再进行赘述。
25.在本实施例中，具体的，所述投放高度层风模型根据投放海拔高度对应的风速、风向和地面海拔高度对应的风速、风向，获取不同海拔高度的风速、风向；需要说明的是，其中投放海拔高度对应的风速、风向可以通过无人机自带传感器实时解算，地面海拔高度对应的风速、风向可以通过地面测量系统获取，并可通过地面数据链路上传至无人机。
26.在本实施例中，具体的，所述投放高度层风模型，包括：，式中：表示系数，。
27.在本实施例中，具体的，所述步骤s2，包括：以无人机预定投放分离点为坐标原点，平行于地平面建立xy轴，其中与航迹方向平行定义为x轴，向前为正，向后为负；与航迹方向垂直定义为y轴，向右为正，向左为负；z轴方向沿用海拔高度定义。
28.在本实施例中，具体的，所述步骤s3，包括：步骤s31：空投吊舱伞未开阶段轨迹预测；步骤s32：空投吊舱伞打开阶段轨迹预测；步骤s33：基于伞未开阶段轨迹预测结果和伞打开阶段轨迹预测结果，形成三维运动轨迹。
29.在本实施例中，具体的，所述步骤s31，包括：以无人机投放空投吊舱开始计时，秒后（）空投吊舱位置定义为（，，），空投吊舱轨迹为：
x方向：；y方向：；z方向：；当，伞完全打开，此时空投吊舱位置定义为(，，)，其中：x方向：；y方向：；z方向：；式中：表示空投吊舱开伞减缓时间；表示无人机投放窗口对应的地速；表示重力加速度。
30.在本实施例中，具体的，所述步骤s32，包括：步骤s321：求取空投吊舱下沉速度；步骤s322：求取空投吊舱下沉时间；步骤s323：求取空投吊舱方向轨迹；步骤s324：求取空投吊舱方向轨迹；步骤s325：求取空投吊舱方向轨迹。
31.在本实施例中，具体的，所述步骤s321，包括：建立空投吊舱重量和下沉速度的关系，具体如下：由上述关系可知：式中：表示空投吊舱重量；表示不同海拔高度对应的空气密度；表示开伞后伞面积；表示开伞后当量阻力系数；所述步骤s322，包括：
所述步骤s323，包括：式中：表示无人机航迹角；所述步骤s324，包括：所述步骤s325，包括：z轴方向沿用海拔高度定义，即：。
32.在本实施例中，具体的，还包括：如果要达到空投吊舱伞降至指定区域的目的，可改变无人机投放窗口和飞行航迹，具体如下：以无人机预定投放分离点为坐标原点，如果为正，无人机应提前投送空投吊舱，距离预定投放分离点米；如果为负，无人机应推迟投送吊舱，距离预定投放分离点米；如果为正，无人机应偏离预定航迹线左侧飞行，距离预定航迹线米；如果为负，无人机应偏离预定航迹线右侧飞行，距离预定航迹线米。
33.实施例二实施例二是实施例一提出的一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法的具体应用。
34.无人机投放海拔高度3000米，投放窗口对应的地速200千米/小时，航迹角90度；投放海拔高度对应的风速20米/秒、风向170度；空投吊舱重量100千克，开伞后伞面积60平方米，开伞后当量阻力系数0.8，空投吊舱开伞减缓时间6秒；地面海拔高度2500米；地面海拔高度对应的风速5米/秒、风向150度。
35.根据以上数据，不同海拔高度的风速，单位：米/秒：空投伞降吊舱运动轨迹三视图如图2、图3、图4所示。
36.如果要达到空投伞降至指定区域（例如：预定投放分离点）的目的，根据以上分析计算，米，无人机应提前投送吊舱，距离预定投放分离点177.2米；米，无人机应偏离预定航迹线右侧飞行，距离预定航迹线375.5米。
37.以上所述实施例仅表达了本技术的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并
不能因此而理解为对本技术保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。
38.提供本背景技术部分是为了大体上呈现本发明的上下文，当前所署名的发明人的工作、在本背景技术部分中所描述的程度上的工作以及本部分描述在申请时尚不构成现有技术的方面，既非明示地也非暗示地被承认是本发明的现有技术。

技术特征：
1.一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法，其特征在于，包括：步骤s1：采用投放海拔高度对应的风速、风向和地面海拔高度对应的风速、风向，建立投放高度层风模型；步骤s2：建立伞降空投吊舱运动轨迹坐标系；步骤s3：基于投放高度层风模型和空投伞降吊舱运动轨迹坐标系，将伞降空投吊舱运动形式分为伞未开和伞打开两个阶段，分别进行动力学和运动学分析，最后形成三维运动轨迹，实现空投吊舱轨迹和降落点的精确预测。2.根据权利要求1所述的一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法，其特征在于，所述步骤s1，包括：风向定义：从正北方向吹来定义为0
°
、从正东方向吹来定义为90
°
、从正南方向吹来定义为180
°
、从正西方向吹来定义为270
°
。3.根据权利要求1所述的一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法，其特征在于，所述投放高度层风模型根据投放海拔高度对应的风速、风向和地面海拔高度对应的风速、风向，获取不同海拔高度的风速、风向。4.根据权利要求3所述的一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法，其特征在于，所述投放高度层风模型，包括：，式中：表示系数，。5.根据权利要求4所述的一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法，其特征在于，所述步骤s2，包括：以无人机预定投放分离点为坐标原点，平行于地平面建立xy轴，其中与航迹方向平行定义为x轴，向前为正，向后为负；与航迹方向垂直定义为y轴，向右为正，向左为负；z轴方向沿用海拔高度定义。6.根据权利要求5所述的一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法，其特征在于，所述步骤s3，包括：步骤s31：空投吊舱伞未开阶段轨迹预测；步骤s32：空投吊舱伞打开阶段轨迹预测；步骤s33：基于伞未开阶段轨迹预测结果和伞打开阶段轨迹预测结果，形成三维运动轨迹。7.根据权利要求6所述的一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法，其特征在于，所述步骤s31，包括：以无人机投放空投吊舱开始计时，秒后空投吊舱位置定义为（，，），空投吊舱轨迹为：x方向：；
y方向：；z方向：；当，伞完全打开，此时空投吊舱位置定义为(，，)，其中：x方向：；y方向：；z方向：；式中：表示空投吊舱开伞减缓时间；表示无人机投放窗口对应的地速；表示重力加速度。8.根据权利要求7所述的一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法，其特征在于，所述步骤s32，包括：步骤s321：求取空投吊舱下沉速度；步骤s322：求取空投吊舱下沉时间；步骤s323：求取空投吊舱方向轨迹；步骤s324：求取空投吊舱方向轨迹；步骤s325：求取空投吊舱方向轨迹。9.根据权利要求8所述的一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法，其特征在于，所述步骤s321，包括：式中：表示空投吊舱重量；表示不同海拔高度对应的空气密度；表示开伞后伞面积；表示开伞后当量阻力系数；所述步骤s322，包括：所述步骤s323，包括：
式中：表示无人机投放窗口对应的航迹角；所述步骤s324，包括：所述步骤s325，包括：。10.根据权利要求9所述的一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法，其特征在于，还包括：如果要达到空投吊舱伞降至指定区域的目的，可改变无人机投放窗口和飞行航迹，具体如下：以无人机预定投放分离点为坐标原点，如果为正，无人机应提前投送空投吊舱，距离预定投放分离点米；如果为负，无人机应推迟投送吊舱，距离预定投放分离点米；如果为正，无人机应偏离预定航迹线左侧飞行，距离预定航迹线米；如果为负，无人机应偏离预定航迹线右侧飞行，距离预定航迹线米。

技术总结
本发明公开了一种大型无人机空投伞降吊舱运动轨迹预测方法，涉及无人机预测领域，包括：首先采用投放海拔高度对应的风速、风向和地面海拔高度对应的风速、风向，建立投放高度层风模型；然后建立伞降空投吊舱运动轨迹坐标系；最后基于投放高度层风模型和空投伞降吊舱运动轨迹坐标系，将伞降空投吊舱运动形式分为伞未开和伞打开两个阶段，分别进行动力学和运动学分析，最后形成三维运动轨迹，实现空投吊舱轨迹和降落点的精确预测；本发明，在空投吊舱内无传感器、无控制手段的前提下，即可实现吊舱轨迹和降落点的精确预测，成本较低。成本较低。成本较低。


技术研发人员：竹军 林涛 施洋 黄鑫 王辉 徐霜杰
受保护的技术使用者：四川腾盾科技有限公司
技术研发日：2023.08.17
技术公布日：2023/9/20