1.本发明涉及无人机技术领域，更具体的说是涉及一种多机协同的无人机空中回收和释放系统及其方法。
背景技术：
2.随着智能化和无人化科技的不断进步，越来越多的应用场景都要求无人机具备自动起降巡航执行任务的能力。
3.现有的技术对固定翼无人机的空中回收与释放都存在一定缺陷，比如采用天钩回收则需要人工参与取下无人机，无人机撞钩后冲击较大易造成结构损坏；采用空中加油模式则由于拖线吊坠末端不可控，无人机难以对准；采用多旋翼空中机场，其只能接受具备垂直起降功能的无人机，实用性不强；采用空中跑道式固定翼双机硬对接回收方法则对控制精度要求很高，抗风干扰能力有限，容易发生碰撞事故。
4.因此，如何提供一种能够解决上述技术问题的无人机空中回收和释放系统及其方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现要素：
5.有鉴于此，本发明提供了一种多机协同的无人机空中回收和释放系统及其方法，可以应用于未来空天母舰，也可以应用于舰载无人机，经过适当扩展后，还可以用于捕获非合作的空中目标，比如敌方的固定翼无人机。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种多机协同的无人机空中回收和释放系统，包括空中回收母机、第一吊挂无人机、第二吊挂无人机和固定翼无人机，第一吊挂无人机和第二吊挂无人机对称设置在空中回收母机下方；
8.空中回收母机包括母机机身、母机机身下方设置有卷绕装置和锁扣装置，卷绕装置用于收放绳索和电缆，空中回收母机通过电缆向第一吊挂无人机和第二吊挂无人机供电和发送指令，通过绳索收放第一吊挂无人机和第二吊挂无人机；
9.第一吊挂无人机和第二吊挂无人机均包括无人机机身，无人机机身重心位置设置有导引孔，导引孔用于绳索穿过，无人机机身顶部设置有托板，托板用于空中捕获完成时卡住固定翼无人机的机翼，托板后部设置有电磁铁，电磁铁用于在回收完成时与锁扣装置吸合固定。
10.优选地，第一吊挂无人机和第二吊挂无人机均还包括磁扣；
11.第一吊挂无人机还包括凹槽，凹槽位于导引孔下方；
12.第二吊挂无人机还包括凸台，凸台位于导引孔下方；
13.凹槽和凸台适配，且通过磁扣实现在空中捕获完成时的吸合固定。
14.优选地，绳索和电缆在卷绕装置内绞合为一股。
15.优选地，卷绕装置包括卷绕电机、芯轴、滚动轴承和电气连接插头，芯轴的两端通
过滚动轴承支撑且滚动轴承的两端固定在母机机身上，芯轴的中部通过卷绕电机驱动，且卷绕电机通过底座固定在母机机身上；
16.空中回收母机还包括供电数据接口；
17.绳索通过导引孔将第一吊挂无人机和第二吊挂无人机吊挂至空中回收母机下方，且绳索和电缆的两端均通过电气连接插头与供电数据接口连接。
18.5.根据权利要求1所述的一种多机协同的无人机空中回收和释放系统，其特征在于，托板的后部翘起角度大于托板的前部翘起角度。
19.一种多机协同的无人机空中回收和释放方法，包括：空中回收和空中释放过程；
20.空中回收过程包括：
21.s101：空中回收母机检测到固定翼无人机时，控制卷绕装置释放全部长度绳索和电缆，第一吊挂无人机和第二吊挂无人机接收控制指令后通过导引孔张开绳索，空中回收母机、第一吊挂无人机和第二吊挂无人机协同控制绳圈中心对准固定翼无人机的机头，等待固定翼无人机进入绳圈；
22.s102：空中回收母机检测到固定翼无人机的机头进入绳圈，空中回收母机通过电缆发送控制指令给第一吊挂无人机和第二吊挂无人机，接收控制指令后第一吊挂无人机和第二吊挂无人机向中间相互靠拢，同时保持水平姿态，空中回收母机回收绳索和电缆；
23.s103：固定翼无人机在协同指令的控制下向下降高度直到固定翼无人机的两侧机翼和托板接触，完成空中捕获，固定翼无人机停止工作；
24.s104：空中回收母机继续回收绳索和电缆，第一吊挂无人机和第二吊挂无人机通过自身动力保持水平姿态承托固定翼无人机，将固定翼无人机收起至空中回收母机机身下方，锁扣装置与电磁铁吸合，回收完成；
25.空中释放过程包括：
26.s201：空中回收母机和固定翼无人机作为一个整体加速向前飞，当达到释放许可速度后，空中回收母机通过电缆发送断电指令给第一吊挂无人机和第二吊挂无人机，接收断电指令后第一吊挂无人机和第二吊挂无人机上的电磁铁断电，使得电磁铁与锁扣装置脱离；
27.s202：空中回收母机控制绕线装置释放绳索和电缆，第一吊挂无人机和第二吊挂无人机保持水平并托住固定翼无人机，与固定翼无人机一起随绳索下放至最低点；
28.s203：空中回收母机控制绕线装置释放全部长度绳索后，第一吊挂无人机和第二吊挂无人机接收控制指令后分别绕自身体轴系的x轴滚转和y轴俯仰，产生向左右两侧运动的趋势，张开绳圈，同时由于俯仰角逐步增大，托板与固定翼无人机的机翼逐步分离；
29.s204：第一吊挂无人机和第二吊挂无人机俯仰角改变产生的向前分力拉动绳圈向前运动，同时空中回收母机加速前飞，固定翼无人机从绳圈中向后滑出，完成空中释放。
30.优选地，空中回收过程s103还包括：
31.固定翼无人机在协同指令的控制下向下降高度直到固定翼无人机的两侧机翼和托板接触后，凹槽和凸台配合并通过磁扣使得第一吊挂无人机和第二吊挂无人机吸合，完成空中捕获；
32.空中释放过程还包括：
33.s205：固定翼无人机自身动力系统开启产生推力继续水平飞行，空中回收母机收
起绳索和电缆。
34.优选地，控制指令为：空中回收母机将期望的相对位置[x
r y
r zr]作为控制指令通过电缆发送给第一吊挂无人机和第二吊挂无人机，第一吊挂无人机和第二吊挂无人机根据空中回收母机的控制指令，通过位置控制回路和姿态控制回路产生电机和舵机的电控制指令，具体为：
[0035]
位置控制回路包括：由位置偏差通过p
xzy
模块生成期望速度vd，期望速度vd通过pidv模块生成期望加速度ad(a
xd
,a
yd
,a
zd
)，将期望加速度ad(a
xd
,a
yd
,a
zd
)代入动力学模型，求解出期望滚转角φd和期望俯仰角θd；
[0036]
姿态控制回路包括：将期望滚转角φd、期望俯仰角θd和模型预测前馈结算的平衡滚转角φ
trim
叠加作为期望姿态角，期望姿态角通过p
θ
模块得到期望姿态角速率ωd，姿态角速率ωd通过pid
ω
模块得到期望转动力矩τd。
[0037]
优选地，期望滚转角φd和期望俯仰角θd计算公式为：
[0038]
φd＝k
φayd
[0039]
θd＝k
θaxd
[0040]
其中，k
φ
表示滚转比例系数，k
θ
表示俯仰比例系数，a
yd
表示y方向的期望加速度，a
xd
表示x方向的期望加速度；
[0041]
平衡滚转角φ
trim
计算公式为：
[0042][0043][0044]
其中，m为第一吊挂无人机或第二吊挂无人机的质量，g为重力加速度，t
prop
表示螺旋桨拉力，γ表示绳圈扩张角，y
r1
表示第一吊挂无人机y方向的期望相对位置，y
r2
表示第二吊挂无人机y方向的期望相对位置。
[0045]
优选地，绳圈的最大张角γ
max
为：
[0046][0047]
其中，m为第一吊挂无人机或第二吊挂无人机的质量，g为重力加速度，t
pmax
为螺旋桨产生的最大拉力。
[0048]
本发明具有以下优点：
[0049]
1)采用了可以收放的绳索，末端是第一吊挂无人机、第二吊挂无人机，与空中回收母机构成三个节点，可以在空中调整位置，让绳圈对准待捕获的无人机。
[0050]
2)由于绳索是柔性的，且空中回收母机可以保持和待捕获固定翼无人机相近的速度，这使得捕获过程中冲击载荷较小，有利于无人机结构减重。
[0051]
3)固定翼无人机上无需安装起落架或者回收装置，在空中回收后就可以与母机一起垂直起降，节省了很多对巡航任务无效的重量，极大的增加了小型固定翼无人机的续航里程。
[0052]
4)采用此种方案空中回收固定翼无人机，可以解决高海况下舰载机的起降问题，
使得驱逐舰和巡洋舰等小型舰艇也可以起降固定翼无人机，且由于空中回收母机不用考虑续航里程的问题，动力可以设计得非常富余，足以对抗7-8级的大风干扰，实现空中回收母机带固定翼无人机垂直起降。
[0053]
5)反向执行回收步骤即可完成固定翼无人机的空中释放，解决了固定翼弹射起飞装置需要占用非常宝贵的舰船甲板空间的问题。
[0054]
6)起降和回收过程均无需人工干预，可以母机做到自动执行多轮次的飞行任务，提高了固定翼无人机使用效率，为实现蜂群无人机任务执行提供了可靠的保障。
[0055]
7)固定翼无人机上不用安装任何特殊的装置即可以被捕获，且可控末端的绳圈具备自动对准待捕获无人机的能力，可以实现无损的空中抓捕非合作无人机。
[0056]
8)对于待回收的固定翼无人机，无需保持长时间和母机的位置接近同时速度大小以及方向相同，只要控制飞行路径通过绳圈，就能完成空中捕获与回收，对于固定翼无人机的位置左右和上下都允许一定容差，速度大小和方向都没有严格的要求，降低了无人机回收时控制的难度，提高了对抗不确定外部干扰的能力，减少了两机伴飞时间，提高了回收效率。
附图说明
[0057]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0058]
图1附图为本发明提供的一种多机协同的无人机空中回收和释放系统结构示意图。
[0059]
图2附图为本发明提供的第一吊挂无人机结构示意图。
[0060]
图3附图为本发明提供的第二吊挂无人机结构示意图。
[0061]
图4附图为本发明提供的第一吊挂无人机和第一吊挂无人机组合吊挂示意图。
[0062]
图5附图为本发明提供的卷绕装置结构示意图。
[0063]
图6附图为本发明提供的空中回收流程图。
[0064]
图7附图为本发明提供的空中释放流程图。
[0065]
图8附图为本发明提供的位置与姿态的控制流程图。
[0066]
图9附图为本发明提供的空中回收过程示意图。
[0067]
图10附图为本发明提供的空中捕获状态完成示意图。
[0068]
图11附图为本发明提供的回收状态示意图。
[0069]
图12附图为本发明提供的吊挂无人机实际滚转角示意图。
[0070]
图13附图为本发明提供的绳索扩张角示意图。
[0071]
其中，1、空中回收母机，101、绳索，102、卷绕装置，1021、卷绕电机，1022芯轴，1023、滚动轴承，1024、电气连接插头，103、供电数据接口，104、电缆，2、第一吊挂无人机，3、第二吊挂无人机，4、固定翼无人机，5、无人机机身，6、导引孔，7、托板，8、电磁铁，9、凹槽，10、凸台，11、磁扣，12、无刷电机，13、倾转机构。
具体实施方式
[0072]
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。
[0073]
本发明实施例公开了一种多机协同的无人机空中回收和释放系统，如图1-4所示，包括：空中回收母机1、第一吊挂无人机2、第二吊挂无人机3和固定翼无人机4，第一吊挂无人机2和第二吊挂无人机3对称设置在空中回收母机1下方，第一吊挂无人机2和第二吊挂无人机3可以独立控制俯仰、滚转、偏航以及垂直下降四个自由度，从而能够控制绳圈在空中张开与合拢以及左右前后移动，让绳圈自动对准待捕获的固定翼无人机；
[0074]
空中回收母机1包括母机机身、母机机身下方设置有卷绕装置102和锁扣装置，将卷绕装置102和锁扣装置设置在母机机身下方可以减小飞行时的阻力，卷绕装置102用于收放绳索101和电缆104，空中回收母机1通过绳索101向第一吊挂无人机2和第二吊挂无人机3供电和发送指令，通过绳索收放第一吊挂无人机和第二吊挂无人机；
[0075]
第一吊挂无人机1和第二吊挂无人机3均包括无人机机身5，无人机机身5重心位置设置有导引孔6，导引孔6用于绳索穿过，无人机机身5顶部设置有托板7，托板7用于空中捕获完成时卡住固定翼无人机4的机翼，托板7后部设置有电磁铁8，电磁铁8用于在回收完成时与锁扣装置吸合固定。
[0076]
其中，空中回收母机1可以是多旋翼、固定翼、直升机等类型的飞行器。第一吊挂无人机2和第二吊挂无人机3可以是双旋翼也可以是其他类型，同时，第一吊挂无人机2和第二吊挂无人机3为一组对称设置在空中回收母机下方，同时本实施例也不限于只设置一个第一吊挂无人机2和第二吊挂无人机3，也可以设置为多个吊挂无人机，只要可以将绳索构成网状能够捕获固定翼无人机就可以。
[0077]
在本实施例中，如图2和图3所示，第一吊挂无人机2和第二吊挂无人机3均还包括磁扣11；第一吊挂无人机2还包括凹槽9，凹槽9位于导引孔6下方；第二吊挂无人机3还包括凸台10，凸台10位于导引孔6下方；当一吊挂无人机2和第二吊挂无人机3沿着绳索101滑动靠拢时，可以自动对准中心完成拼接，且通过磁扣11实现在空中捕获完成时的吸合固定。
[0078]
最佳地，托板7前部略微翘起，托板7的后部翘起角度大于托板的前部翘起角度，方便实现在空中捕获完成后能卡住固定翼无人机的机翼，避免其前后滑动。
[0079]
同时，考虑到最小化执行器数量的同时保持六自由度可操控性，双旋翼是最佳的方案，双旋翼无人机身截面为对称翼型，这种设计使得其具有偏航静稳定性。第一吊挂无人机2和第二吊挂无人机3除上述装置外，还具备和现有无人机同样的结构，例如：无人机机身5中安装有电池、飞控板、电调等元件，无人机机身5前后分别装有倾转机构13、无刷电机12和螺旋桨，倾转机构13可以驱动无刷电机12或螺旋桨左右摆动，螺旋桨产生的拉力方向相对于无刷电机12指向下方。
[0080]
吊挂第一吊挂无人机2和第二吊挂无人机3在飞行的过程中主要受到空气扰动力、螺旋桨拉力和绳索的拉力作用，如果假设螺旋桨产生的最大拉力为t
pmax
，则达到静平衡状态时，绳圈的最大张角为：
[0081][0082]
其中，m为第一吊挂无人机或第二吊挂无人机的质量，g为重力加速度，t
pmax
为螺旋桨产生的最大拉力。
[0083]
在本实施例中，如图5所示，卷绕装置102包括卷绕电机1021、芯轴1022、滚动轴承1023和电气连接插头1024，芯轴1022的两端通过滚动轴承1023支撑且滚动轴承1023的两端固定在母机机身上，芯轴1022的中部通过卷绕电机1021驱动，且卷绕电机1021通过底座固定在母机机身上，通过卷绕电机1021驱动芯轴1022旋转，可以实现绳索和电缆的收放；空中回收母机1还包括供电数据接口103；绳索和电缆在接近第一吊挂无人机和第二吊挂无人机时不再绞合为一股，其中绳索101通过导引孔将第一吊挂无人机2和第二吊挂无人机3吊挂至空中回收母机1下方，电缆104不通过导引孔，直接和第一吊挂无人机和第二吊挂无人机的数据接口连接，绳索101和电缆在卷绕装置内绞合为一股，且绳索101和电缆的两端固连于芯轴上，且通过电气连接插头1024与供电数据接口103连接。
[0084]
本实施例提供了一种多机协同的无人机空中回收和释放方法，包括：空中回收和空中释放过程；
[0085]
如图6所示，空中回收过程包括：
[0086]
s101：空中回收母机检测到固定翼无人机时，控制卷绕装置释放全部长度绳索和电缆，第一吊挂无人机和第二吊挂无人机接收控制指令后通过导引孔张开绳索，空中回收母机、第一吊挂无人机和第二吊挂无人机协同控制绳圈中心对准固定翼无人机的机头，等待固定翼无人机进入绳圈，绳圈为空中回收母机、第一吊挂无人机、第二吊挂无人机拉成的绳索组成的圈，如图9所示；
[0087]
s102：空中回收母机检测到固定翼无人机的机头进入绳圈，空中回收母机通过电缆发送控制指令给第一吊挂无人机和第二吊挂无人机，接收控制指令后第一吊挂无人机和第二吊挂无人机向中间相互靠拢，同时保持水平姿态，空中回收母机回收绳索和电缆；
[0088]
s103：固定翼无人机在协同指令的控制下向下降高度直到固定翼无人机的两侧机翼和托板接触，完成空中捕获，固定翼无人机关闭自身动力系统停止工作，如图10所示；
[0089]
s104：空中回收母机继续回收绳索和电缆，第一吊挂无人机和第二吊挂无人机通过自身动力保持水平姿态承托固定翼无人机，将固定翼无人机收起至空中回收母机机身下方，锁扣装置与电磁铁吸合，回收完成，如图11所示；
[0090]
如图7所示，空中释放过程包括：
[0091]
s201：空中回收母机和固定翼无人机作为一个整体垂直起飞后加速向前飞，当达到释放许可速度后，空中回收母机通过电缆发送断电指令给第一吊挂无人机和第二吊挂无人机，接收断电指令后第一吊挂无人机和第二吊挂无人机上的电磁铁断电，使得电磁铁与锁扣装置脱离；
[0092]
s202：空中回收母机控制绕线装置释放绳索和电缆，第一吊挂无人机和第二吊挂无人机保持水平并托住固定翼无人机，与固定翼无人机一起随绳索下放至最低点；
[0093]
s203：空中回收母机控制绕线装置释放全部长度绳索后，第一吊挂无人机和第二吊挂无人机接收控制指令后分别绕自身体轴系的x轴滚转和y轴俯仰，产生向左右两侧运动的趋势，张开绳圈，同时由于俯仰角逐步增大，托板与固定翼无人机的机翼逐步分离，其中
滚转角如图12所示；
[0094]
s204：第一吊挂无人机和第二吊挂无人机俯仰角改变产生的向前分力拉动绳圈向前运动，同时空中回收母机加速前飞，固定翼无人机从绳圈中向后滑出，完成空中释放。
[0095]
在本实施例中，空中回收过程s103还包括：
[0096]
固定翼无人机在协同指令的控制下向下降高度直到固定翼无人机的两侧机翼和托板接触后，凹槽和凸台配合并通过磁扣使得第一吊挂无人机和第二吊挂无人机吸合，完成空中捕获，将固定翼无人机、第一吊挂无人机和第二吊挂无人机结合为一体，进行垂直起降；
[0097]
空中释放过程还包括：
[0098]
s205：固定翼无人机自身动力系统开启产生推力继续水平飞行，空中回收母机收起绳索和电缆。
[0099]
在本实施例中，到最小化执行器数量的同时保持6自由度可操控性，将第一吊挂无人机和第二吊挂无人机设计为双旋翼无人机，吊挂双旋翼无人机六自由度的控制方式为：
[0100]
1)绕机体轴系x轴滚转：前后倾转机构向同侧倾转，即可让螺旋桨拉力方向偏转，产生滚转力矩。
[0101]
2)绕机体轴系y轴的俯仰：前侧螺旋桨减小拉力，后侧螺旋桨增大拉力，即可产生正的俯仰力矩，反之则产生负的。
[0102]
3)绕机体轴系z轴的偏航：前后倾转机构差动倾转，使得前后螺旋桨的拉力偏向相反的方向，即可产生偏航力矩。
[0103]
4)x轴方向的位移：通过改变机体俯仰角，产生x轴方向的拉力，进而控制x轴方向的加速度、速度和位移。
[0104]
5)y轴方向的位移：通过改变机体滚转角，产生y轴方向的拉力，进而控制y轴方向的加速度、速度和位移。
[0105]
6)z轴方向的位移：通过卷绕装置收放缆绳的长度，直接控制z方向的位移。
[0106]
在空中回收的过程中，第一吊挂无人机和第二吊挂无人机差分gps获得其相对于空中回收母机的精确位置，误差可以控制到毫米量级。空中回收母机通过与待回收的固定翼无人机通讯或者通过视觉识别、雷达探测等方法获得固定翼无人机的位置，然后将期望的相对位置[x
r y
r zr]作为控制指令通过数据线发送给第一吊挂无人机和第二吊挂无人机，将期望的缆绳长度l作为长度指令发送给卷绕装置。第一吊挂无人机和第二吊挂无人机在期望位置指令的驱动下解算出期望的平衡滚转角φ
trim
，将绳圈打开到特定的张角，并进一步与空中回收母机协同控制绳圈的在空中的位置和朝向，实时动态地对准待回收固定翼无人机的预期飞行路径。
[0107]
如图8所示，控制算法的实现过程主要包括：空中回收母机将期望的相对位置[x
r y
r zr]作为控制指令通过电缆发送给第一吊挂无人机和第二吊挂无人机，第一吊挂无人机和第二吊挂无人机根据空中回收母机的控制指令，通过位置控制回路和姿态控制回路产生电机和舵机的电控制指令，具体为：
[0108]
位置控制回路包括：由位置偏差通过p
xzy
模块生成期望速度vd，期望速度vd通过pidv模块生成期望加速度ad，将期望加速度ad(a
xd
,a
yd
,a
zd
)代入动力学模型，求解出期望滚转角φd和期望俯仰角θd；
[0109]
姿态控制回路包括：将期望滚转角φd、期望俯仰角θd和模型预测前馈结算的平衡滚转角φ
trim
叠加作为期望姿态角，期望姿态角通过p
θ
模块得到期望姿态角速率ωd，姿态角速率ωd通过pid
ω
模块得到期望转动力矩τd，在本实施例中，第一吊挂无人机和第二吊挂无人机若为双旋翼无人机，根据控制分配矩阵生成给前后倾转机构和前后电机这四个执行器的具体电控制指令
[0110]
期望滚转角φd和期望俯仰角θd计算公式为：
[0111]
φd＝k
φayd
[0112]
θd＝k
θaxd
[0113]
其中，k
φ
表示滚转比例系数，k
θ
表示俯仰比例系数，a
yd
表示y方向的期望加速度，a
xd
表示x方向的期望加速度；
[0114]
平衡滚转角φ
trim
计算公式为：
[0115][0116][0117]
其中，m为第一吊挂无人机或第二吊挂无人机的质量，g为重力加速度，t
prop
表示螺旋桨拉力，γ表示绳索扩张角，如图13所示，y
r1
表示第一吊挂无人机y方向的期望相对位置，y
r2
表示第二吊挂无人机y方向的期望相对位置。
[0118]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0119]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。