一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法与流程

1.本发明属于无人机测试技术领域，尤其涉及一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法。


背景技术：

2.超高层建筑因具有规模大、功能多、人员密集等特点，存在火灾风险高、扑灭难度大、事故损失严重等问题，而现有的消防装备和手段难以满足超高层建筑灭火需求，存在“装备到不了、展不开、够不着，灭火药剂送不上”等问题。
3.由于系留式灭火无人机兼具响应速度快、作业场地小、作业机动性好、作业范围大等特点，可近距离喷射灭火药剂，降低消防救援人员灭火作业风险，大载荷系留式无人机垂直输送灭火药剂已成为破解超高层建筑火灾扑救难题的重要突破口。
4.围绕系留式灭火无人机实战化要求，飞行作业安全性始终是此类产品最重要的问题，也是保证此类产品能够广泛应用的前提条件。目前，针对无人机作业安全相关技术标准主要分为两大类，一类为针对无人机系统的一般通用型技术要求，以指导原则、理论概念为主，缺乏实操性和针对性，难以定量检测系留式灭火用无人机的安全性能；另一类为针对消防无人机某一方面特定性能的技术要求，以指标测定、等级评价为主，缺乏整体性和可用性，难以确定符合哪些标准、达到哪些指标的产品可以服务于消防队伍装备实战。
5.现有针对多旋翼无人机姿态、航迹控制性能的标准要求主要有：自水平控制性能试验、垂直控制性能试验、航向控制性能试验、高度保持性能试验、速度保持性能试验等，但上述检验方法存在以下缺陷：（1）仅给出试验的技术参数要求或简单试验过程，没有针对性能要求的符合性提出明确的试验环境、试验设备、试验布置、检验方法和判定规则，无法实现具备可操作性、一致性、再现性和可重复性的标准化产品性能评价。
6.（2）仅针对灭火作业任务剖面中的某一种特定飞行状态下的单一性能参数进行评价，且均为适用于各类多旋翼无人机的通用方法，技术指标具有片面性且技术要求缺少针对性。而系留式灭火无人机在实战应用过程中，姿态航迹控制性能通常综合体现于其典型任务剖面：起飞上升—定点悬停—喷射瞄准—动态灭火—定点降落，现有的标准要求不能很好的适用于系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试。


技术实现要素：

7.鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法，基于对系留式灭火无人机实战应用过程中姿态航迹控制性能的典型任务剖面，实现对系留式灭火无人机性能的测试。
8.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法，包括如下步骤：步骤s01：在测试环境的顶部设置一球形靶，使球形靶的球心到测试环境的底面距
离为h；在测试环境的底面上设置三个呈等边三角形分布的圆形靶，使顶部的球形靶的垂直投影位于等边三角形的中心；步骤s02：于待测无人机的机体中心底部设置激光投射器，所述激光投射器具备发射相对于待测无人机正前方的前向激光束与指向方向垂直向下的下向激光束；步骤s03：将待测无人机置于测试环境的底面上，使下向激光束的投射点位于其中一个圆形靶靶心；步骤s04：使待测无人机竖直起飞，判断下向激光束的光斑是否始终位于当前圆形靶靶面范围内；步骤s05：当待测无人机升至距离测试环境底面h高度处，判断待测无人机试样悬停高度是否在h的容差范围；调整待测无人机姿态，将前向激光束对向球形靶，判断前向激光束光斑是否始终位于球形靶上，同时判断下向激光束光斑是否始终位于当前圆形靶靶面范围内；步骤s06：保持当前状态悬停指定时间后，操作待测无人机保持当前飞行高度按顺时针或逆时针方向沿航迹界限路径平飞至下一圆形靶上方，平飞过程中，判断前向激光束光斑是否始终位于球形靶上，当待测无人机飞至圆形靶上方时，判断下向激光束光斑是否处于圆形靶，判断平飞路线是否在航迹界限范围内，判断待测无人机试样悬停高度是否始终在h的容差范围；判断靶位转移的完成时间是否在t以内，其中t为位置转换周期，即待测无人机从某一指定位置转移至下一指定位置并稳定指定时间所需要的时间上限；步骤s07：重复步骤s06实现再一次靶位转移，直至待测无人机回到初始圆形靶上方；步骤s08：操作待测无人机降落至初始圆形靶上，判断降落过程中下向激光束光斑是否始终位于当前所处圆形靶上。
9.进一步地，所述圆形靶围成的等边三角形的边长为，其中l为指向距离即待测无人机中心点与机头正前方指向方向上的特定指向点之间的距离，其中特定指向点为待测无人机机头正前方指向方向与目标物的交点。
10.进一步地，所述l满足l》2(r+s)，其中r为待测无人机外形半径，s为姿态精度，即待测无人机在特定平飞高度条件下，在特定指向点与预期目标点之间的距离，其中特定平飞高度为在测试开始前规定的待测无人机的平飞高度h，预期目标点为当待测无人机的目标任务为指向某一个目标点时，该目标点即为预期目标点。
11.进一步地，所述球形靶直径根据姿态精度s决定球形靶直径确定，球形靶直径为2s。
12.进一步地，所述圆形靶直径根据航迹精度d确定，圆形靶直径为2d，其中航迹精度d为待测无人机在特定平飞高度条件下，其在测试环境底面投影位置与预期位置之间的距离，其中预期位置为当待测无人机的目标任务为悬停在某一个地面目标点上方或沿某一条地面目标线平飞时，该目标点或目标线即为预期位置，特定平飞高度为在测试开始前规定的待测无人机的平飞高度h。
13.进一步地，所述航迹界限为在三个圆形靶围成的等边三角形中，以三角形各边为中心线布置宽度为2d的航迹限定范围，其中航迹精度d为待测无人机在特定平飞高度条件下，其在测试环境底面投影位置与预期位置之间的距离，其中预期位置为当待测无人机的
目标任务为悬停在某一个地面目标点上方或沿某一条地面目标线平飞时，该目标点或目标线即为预期位置。
14.进一步地，于待测无人机的机体底部设置激光测距仪，用于测量待测无人机与底面的距离。
15.进一步地，所述激光投射器发出的光束直径为5 mm～20 mm。
16.进一步地，所述测试环境中设有监视设备，其监视范围对待测无人机、球形靶、圆形靶以及航迹限定范围覆盖，并对激光光斑清晰辨识。
17.进一步地，采用监视设备判断激光束是否位于圆形靶、球形靶以及平飞路线是否在航迹界限范围。
18.本发明的有益效果是：本发明提供了一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法，是一种基于典型任务剖面的标准化姿态航迹控制性能评价方法，可以考察系留式灭火无人机的定点悬停能力、航迹控制能力、姿态保持能力等基本作业性能，测试针对系留式灭火无人机实战应用过程中姿态航迹控制性能体现于其典型任务剖面，实现对待测系留式灭火无人机发悬停高度的稳定性、对起火点目标指向瞄准性、飞行航迹控制性、位置转换时间、对起火点目标动态指向瞄准性、降落过程中的位置稳定性等方面的性能测试。本发明测试方法操作方便、具有一致性和再现性。
附图说明
19.图1为本发明的系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法布置主视示意图；图2为本发明的系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法布置俯视示意图。
20.【附图标记说明】1为球型靶、2为球型靶吊绳、3为待测无人机、4为激光投射器、5为激光束发射方向、6为圆形靶、7为航迹界限。
具体实施方式
21.为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
22.本发明提供了一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法，针对系留式灭火无人机作业过程中可能面对的飞行姿态和航迹控制问题，基于典型任务剖面设计了一种飞行姿态、航迹控制性能标准化试验方法，重点考察无人机的定点悬停能力、航迹控制能力、姿态保持能力等基本作业性能。
23.系留式灭火无人机在实战应用过程中，姿态航迹控制性能通常综合体现于其典型任务剖面：起飞上升—定点悬停—喷射瞄准—动态灭火—定点降落，本发明针对系留式灭火无人机在实战应用过程中的典型任务剖面做针对性的测试，本发明的测试方法分为四个阶段：上升阶段、瞄准阶段、位移阶段和降落阶段，其考察要点和实现方案如下：（1）上升阶段：考察无人机在非直接目视状态下的定点爬升、悬停稳定性能。通过在待测无人机3机体安装激光投射器4发射下向激光束和圆形靶6位设置，实现上升和悬停过程中的位置稳定性测试；通过在待测无人机3机体安装下向激光测距仪，实现悬停高度稳
定性测试。
24.（2）瞄准阶段：考察无人机在非直接目视状态下的指向瞄准性能。通过在待测无人机3机体安装激光投射器4发射前向激光束和球形靶1设置，实现对起火点目标指向瞄准性能测试。
25.（3）位移阶段：考察无人机在非直接目视状态下的动态瞄准、航迹保持性能。通过在待测无人机3机体安装激光投射器4发射下向激光束、一组圆形靶6位和航迹界限7设置，实现飞行航迹控制性能和位置转换时间测试；通过在待测无人机3机体安装可发射前向激光束的激光投射器4和球形靶1设置，实现对起火点目标动态指向瞄准性能测试；通过在待测无人机3机体安装激光测距仪，实现悬停高度稳定性测试。
26.（4）降落阶段：考察无人机在非直接目视状态下的定点降落性能。通过在待测无人机3机体安装激光投射器4发射下向激光束和圆形靶6位设置，实现降落过程中的位置稳定性测试。
27.本发明中激光束发射方向5包括前向激光束和下向激光束，所述的前向激光束为激光束方向相对于待测无人机3的正前方指向方向；所述的下向激光束为激光束方向相对于待测无人机3的垂直向下方指向方向。
28.具体包括如下步骤：步骤s01：在测试环境的顶部设置一球形靶1，使球形靶1的球心到测试环境的底面距离为h；在测试环境的底面上设置三个呈等边三角形分布的圆形靶6，使顶部的球形靶1的垂直投影位于等边三角形的中心，如图1-2所示。
29.具体地，球形靶1可以通过球型靶吊绳2固定于测试环境的顶部。其中待测无人机3的外形半径r：以无人机中心点为球心，能够将待测无人机3本体全部包含在内的最小球形区域半径。平飞高度h：待测无人机3定点悬停或按指定航迹平飞状态下，机体特定位置距离底面的高度。航迹精度d：待测无人机3在特定平飞高度条件下，其在水平底面投影位置与预期位置之间的距离，其中预期位置为当待测无人机的目标任务为悬停在某一个地面目标点上方或沿某一条地面目标线平飞时，该目标点或目标线即为预期位置。姿态精度s：待测无人机3在特定平飞高度条件下，在特定指向点与预期目标点之间的距离，其中特定平飞高度为在测试开始前规定的待测无人机的平飞高度h，预期目标点为当待测无人机的目标任务为指向某一个目标点时，该目标点即为预期目标点。
30.位置转换周期t：待测无人机3从某一指定位置转移至下一指定位置并稳定指定时间所需要的时间上限。指向距离l：待测无人机3中心点与机头正前方指向方向上的特定指向点之间的距离（应满足l》2(r+s)），其中特定指向点为待测无人机机头正前方指向方向与目标物的交点。球形靶1：直径为2s的白色空心或实心球体，根据姿态精度要求，来确定球形靶1的半径；布置方式为通过系线吊装于测试环境的顶部，保证球心到待测环境底面的距离为h。圆形靶6：直径为2d的白色圆形面，布置方式为将3个圆形靶6布置在底面上，圆心分别位于上述等边三角形的3个顶点处。
31.步骤s02：于待测无人机3的机体中心底部设置激光投射器4，所述激光投射器4具备发射相对于待测无人机3正前方的前向激光束与指向方向垂直向下的下向激光束。
32.其中激光投射器4可以发出红色或绿色激光束，且激光束应能保证在l和h距离的靶面上产生持续清晰的光斑，且光斑直径在5 mm～20 mm，安装方式为安装在无人机机体中
心正下方，与待测无人机3机体刚性固定。
33.步骤s03：将待测无人机3置于测试环境的底面上，使下向激光束的投射点位于其中一个圆形靶6靶心；步骤s04：使待测无人机3竖直起飞，判断下向激光束的光斑是否始终位于当前圆形靶6靶面范围内；步骤s05：当待测无人机3升至距离测试环境底面h高度处，判断待测无人机3试样悬停高度是否在h的容差范围；调整待测无人机姿态，将前向激光束对向球形靶1，判断前向激光束光斑是否始终位于球形靶1上，同时判断下向激光束光斑是否始终位于当前圆形靶6靶面范围内；步骤s06：保持当前状态悬停指定时间后，操作待测无人机3保持当前飞行高度按顺时针或逆时针方向沿航迹界限7路径平飞至下一圆形靶6上方，平飞过程中，判断前向激光束光斑是否始终位于球形靶1上，当待测无人机飞至圆形靶上方时，判断下向激光束光斑是否处于圆形靶，判断平飞路线是否在航迹界限7范围内，判断待测无人机3试样悬停高度是否始终在h的容差范围；判断靶位转移的完成时间是否在t以内，其中t为位置转换周期，即待测无人机从某一指定位置转移至下一指定位置并稳定指定时间所需要的时间上限。
34.其中所述航迹界限7为在三个圆形靶6围成的边长为的等边三角形中，以三角形各边为中心线布置宽度为2d的白色航迹限定范围。
35.步骤s07：重复步骤s06实现再一次靶位转移，直至待测无人机3回到初始圆形靶6上方；步骤s08：操作待测无人机3降落至初始圆形靶6上，判断降落过程中下向激光束光斑是否始终位于当前所处圆形靶6上。
36.具体地，于待测无人机3的机体底部设置激光测距仪，用于测量待测无人机3与底面的距离。激光测距仪应具备实时测量并记录待测无人机3机体底面与测试环境底面距离的功能（安装位置可通过数据校正实现），可发射用于测距的激光应为非可见光，其测量精度与h的比值、采样周期与t的比值均不应大于试验容差要求。安装方式为安装在待测无人机3机体下方，可设置在激光投射器4的一侧，与机体刚性固定，且应满足发射的用于测距的激光束相对于待测无人机3的方向为与机体平飞方向垂直向下的方向。
37.具体地，所述测试环境中设有监视设备，具备实时视频图像采集、存储和显示功能，安装在测试环境的顶部或其他位置，其监视范围对待测无人机3、球形靶1、圆形靶6以及航迹限定范围覆盖，并对激光光斑清晰辨识。本发明可以采用监视设备判断激光束是否位于圆形靶6、球形靶1以及平飞路线是否在航迹界限7范围。
38.具体地，采用秒表判断每次靶位转移的完成时间是否均控制在t以内。
39.上述判断结果若为“是”则判定合格，若为“否”则判定不合格。
40.本发明方法是基于典型任务剖面的标准化姿态航迹控制性能评价方法，可以考察系留式灭火无人机的定点悬停能力、航迹控制能力、姿态保持能力等基本作业性能，实现对待测系留式灭火无人机发悬停高度的稳定性、对起火点目标指向瞄准性、飞行航迹控制性、位置转换时间、对起火点目标动态指向瞄准性、降落过程中的位置稳定性等方面的性能测试。
41.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例
性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员对上述实施例进行改动、修改、替换和变型均属于本发明的范围内。

技术特征：
1.一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤s01：在测试环境的顶部设置一球形靶，使球形靶的球心到测试环境的底面距离为h；在测试环境的底面上设置三个呈等边三角形分布的圆形靶，使顶部的球形靶的垂直投影位于等边三角形的中心；步骤s02：于待测无人机的机体中心底部设置激光投射器，所述激光投射器具备发射相对于待测无人机正前方的前向激光束与指向方向垂直向下的下向激光束；步骤s03：将待测无人机置于测试环境的底面上，使下向激光束的投射点位于其中一个圆形靶靶心；步骤s04：使待测无人机竖直起飞，判断下向激光束的光斑是否始终位于当前圆形靶靶面范围内；步骤s05：当待测无人机升至距离测试环境底面h高度处，判断待测无人机试样悬停高度是否在h的容差范围；调整待测无人机姿态，将前向激光束对向球形靶，判断前向激光束光斑是否始终位于球形靶上，同时判断下向激光束光斑是否始终位于当前圆形靶靶面范围内；步骤s06：保持当前状态悬停指定时间后，操作待测无人机保持当前飞行高度按顺时针或逆时针方向沿航迹界限路径平飞至下一圆形靶上方，平飞过程中，判断前向激光束光斑是否始终位于球形靶上，当待测无人机飞至圆形靶上方时，判断下向激光束光斑是否处于圆形靶，判断平飞路线是否在航迹界限范围内，判断待测无人机试样悬停高度是否始终在h的容差范围；判断靶位转移的完成时间是否在t以内，其中t为位置转换周期，即待测无人机从某一指定位置转移至下一指定位置并稳定指定时间所需要的时间上限；步骤s07：重复步骤s06实现再一次靶位转移，直至待测无人机回到初始圆形靶上方；步骤s08：操作待测无人机降落至初始圆形靶上，判断降落过程中下向激光束光斑是否始终位于当前所处圆形靶上。2.根据权利要求1所述的一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法，其特征在于：所述圆形靶围成的等边三角形的边长为，其中l为指向距离即待测无人机中心点与机头正前方指向方向上的特定指向点之间的距离，其中特定指向点为待测无人机机头正前方指向方向与目标物的交点。3.根据权利要求2所述的一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法，其特征在于：所述l满足l>2(r+s)，其中r为待测无人机外形半径，s为姿态精度，即待测无人机在特定平飞高度条件下，在特定指向点与预期目标点之间的距离，其中特定平飞高度为在测试开始前规定的待测无人机的平飞高度h，预期目标点为当待测无人机的目标任务为指向某一个目标点时，该目标点即为预期目标点。4.根据权利要求3所述的一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法，其特征在于：所述姿态精度s决定球形靶直径，球形靶直径为2s。5.根据权利要求1所述的一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法，其特征在于：所述圆形靶直径根据航迹精度d确定，圆形靶直径为2d，其中航迹精度d为待测无人机在特定平飞高度条件下，其在测试环境底面投影位置与预期位置之间的距离，其中预期位置为当待测无人机的目标任务为悬停在某一个地面目标点上方或沿某一条地面目标线平
飞时，该目标点或目标线即为预期位置，特定平飞高度为在测试开始前规定的待测无人机的平飞高度h。6.根据权利要求1所述的一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法，其特征在于：所述航迹界限为在三个圆形靶围成的等边三角形中，以三角形各边为中心线布置宽度为2d的航迹限定范围，其中航迹精度d为待测无人机在特定平飞高度条件下，其在测试环境底面投影位置与预期位置之间的距离，其中预期位置为当待测无人机的目标任务为悬停在某一个地面目标点上方或沿某一条地面目标线平飞时，该目标点或目标线即为预期位置。7.根据权利要求1所述的一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法，其特征在于：于待测无人机的机体底部设置激光测距仪，用于测量待测无人机与底面的距离。8.根据权利要求1所述的一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法，其特征在于：所述激光投射器发出的光束直径为5 mm～20 mm。9.根据权利要求1所述的一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法，其特征在于：所述测试环境中设有监视设备，其监视范围对待测无人机、球形靶、圆形靶以及航迹限定范围覆盖。10.根据权利要求9所述的一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法，其特征在于：采用监视设备判断激光束是否位于圆形靶、球形靶以及平飞路线是否在航迹界限范围。

技术总结
一种系留式灭火无人机姿态航迹控制性能测试方法，属于无人机测试技术领域，包括如下步骤：步骤S01：在测试环境的顶部设置一球形靶；在测试环境的底面上设置三个呈等边三角形分布的圆形靶；步骤S02：于待测无人机的机体中心底部设置激光投射器；步骤S03：将待测无人机置于测试环境的底面上；步骤S04：使待测无人机竖直起飞，判断下向激光束的光斑是否始终位于当前圆形靶靶面范围内等，本发明可实现对系留式灭火无人机性能的测试，测试方法操作方便、具有一致性和再现性。具有一致性和再现性。具有一致性和再现性。


技术研发人员：钟晨 李海涛 张德成
受保护的技术使用者：应急管理部沈阳消防研究所
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/7/12