CN101944295B - 一种无人机起落航线编排方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机起落航线编排方法，根据机场的地理位置、飞机进场定高飞行高度H、飞机的下滑线角度λ以及航点切换距离D等因素确定起落航线各航点，将起落航线2点和3点布置于跑道纵向中心线上，4点布置于沿2点到3点方向延长线上，1点布置于沿2点到3点方向反向延长线上，0点和5点布置于跑道的同一侧，6点和7点布置于跑道端头的端线与跑道纵向中心线的交点位置，可实现无人机的正逆向着陆并获得高精度的跑道方向角。本发明所提出的方法结构简单，易于实现，为无人机自主起降及正逆向着陆提供解决方案，为无人机起降时地面操控提供条件，为实现高精度的跑道航向角计算提供依据，大大提高了无人机起降安全性。

Description

一种无人机起落航线编排方法

技术领域

本发明涉及一种无人机起落航线编排方法，属于无人机航线规划领域。

背景技术

起落航线为飞机的起飞、离场、进场和着陆提供具体的航路。在有人机系统中，为确保飞机以有序的方式进入和离开机场，需要在指定的机场建立具体的起落航线和交通管制程序，包括起落航线的方向和结构，飞行的高度以及进入和离开起落航线的程序。在目前的有人机飞行时，五边航线是一种基本的起落航线。如图1所示，飞机在进行五边航线飞行时，驾驶员操纵飞机完成由滑跑、离地、爬升、转弯、直线飞行、转弯指向跑道、下滑、着陆的过程。其飞行航线从机场上方来看，实际上是一个四边形，但由于离场边和进场边的性质和飞行高度不同，所以把这条边一分为二，称为五边航线。

如图2所示，五边航线由以下五条边组成：第一边(upwind，离场边)、第二边(crosswind，侧风边，方向与跑道成90度)、第三边(downwind，下风边，方向与跑道起飞方向反向平行)、第四边(base，基线边，与跑道垂直)、第五边(final，进场边，与起飞方向相同)。图1中描述的是一个起飞降落过程，而对于准备进近着陆的飞机来说，五边实质上就是围绕机场转一圈。当然，受制于航线、风速、空域和机场繁忙程度、ATC的指挥，进近航线不一定严格要飞完五边，可以适时从某条边直接切入。五边航线飞行并不是唯一的进近程序，还有修正角进近、目视进近、U型进近等方式，但是在大型机场中五边飞行是一种很常见的进近程序。

在无人机的飞行中，由于没有驾驶员的操纵，无人机须根据地面操纵系统注入的数据及指令自动完成全过程飞行。因此，如何进行无人机的起落航线的编排是实现无人机自主起降时需要解决的重要问题。

目前，通常的无人机在进行起落航线的编排时参考了有人机的五边航线飞行方式，根据五边航线飞行的过程以及当地机场的地理位置进行起落航线的编排及航路点的注入。由于起落航线由五条边构成，因此该航线通常由六个点连接构成。图3给出了目前多采用的由六点(0点～5点)构成的无人机起落航线示意图。在航点的编排时，需要综合考虑机场的地理位置、飞机进场定高飞行高度、飞机的下滑线角度等因素进行各航点的计算和标定，最终得到每个航点的经度纬度信息通过地面操控站发送至无人机。

其中，2点为预定的着陆点。由于无人机机上无驾驶员，而起降飞行是关系飞行安全的关键阶段，若在该阶段地面人员不能有效的对无人机状态进行目视观察和必要时的操纵，将大大增加飞行的风险，因此预定着陆点的位置通常布置在地面操控站附近的跑道中心线处。

3点为沿起飞着陆方向的点，2点和3点之间的连线方向即为跑道方向。在起飞和着陆过程中，无人机根据该两点的位置信息计算跑道方向以控制飞机沿跑道方向运动，因此该两点的位置信息极为关键。通常3点位于跑道端头的中心线处以尽量远离2点得到更为精确的跑道方向角度信息。

4点为第一转弯点。根据飞机的起飞爬升能力以及起落架收放条件等因素综合确定。4点与3点构成了五边航线的第一边(离场边)。

5点为第二转弯点，通常也是无人机着陆时的切入点，即无人机完成任务航线飞行后由该点切入五边航线飞行进行飞机的着陆。5点与4点构成了五边航线的第二边(侧风边)。

0点为第三转弯点，1点为第四转弯点，与5点构成了五边航线的第三边(下风边)和第四边(基线边)。在该两条边的飞行过程中通常会进行放起落架等相应动作，进行着陆的准备。

而1点和2点构成了五边航线的第五边(进场边)。无人机进入该边飞行时，调整姿态，对准跑道，跟踪理想下滑轨迹，最终完成着陆。

根据上述方法编排的起落航线，无人机可以完成基本的自动起飞和着陆动作，但同时也存在一定的问题。由于无人机进行起飞和着陆时机场的风向可能会发生较大变化，尤其是对于长航时无人机而言，飞机起飞和降落时间可能间隔数十小时以上，机场风力风向发生变化的可能性很大。鉴于飞机安全考虑，起飞时通常采用逆风方向起飞，而无人机着陆时，若仍沿起飞方向可能出于顺风状态，易出现失速、大地速接地等情况，对飞行安全极为不利。综上所述，现有的无人机起落航线编排方法存在一定的缺陷，不利于飞行安全。

发明内容

本发明的目的是提出一种无人机起落航线编排方法，根据机场的地理位置、飞机进场定高飞行高度H、飞机的下滑线角度λ以及航点切换距离D等因素确定起落航线各航点，可实现无人机的正逆向着陆并获得高精度的跑道方向角。

本发明的无人机起落航线编排方法通过以下步骤实现：

步骤一：将起落航线2点和3点布置于跑道纵向中心线上，并且分别位于跑道纵向中心线的中点两侧的对称位置，以地面操纵人员位于跑道纵向中心处可清晰目视距离(一般为100m～200m)为该两点距中心最长距离，以从2点到3点方向为无人机正向着陆方向，2点为正向着陆预定着陆点，3点为逆向着陆预定着陆点。

步骤二：将起落航线4点布置于沿2点到3点方向延长线上，根据飞机进场定高飞行高度H及飞机的下滑角λ计算起落航线3点与4点之间的最短距离D_34min，如公式1所示：

D_34min＝H·ctgλ    (1)

步骤三：将起落航线1点布置于沿2点到3点方向反向延长线上，1点与2点之间的距离和3点与4点之间的距离相同。

步骤四：根据机场周边情况，将起落航线0点和5点布置于跑道的同一侧，并使得0点-1点-2点-3点-4点-5点连线构成封闭四边形，0点到1点之间的最短距离D_01min以及4点到5点之间的最短距离D_45min根据飞机的航点切换距离D计算得到，如公式2所示，其中航点切换距离D为飞机在航线飞行时进行航点切换的判断依据，即当无人机与目标航点距离小于D时进行航点的切换。

D_01min＝D_45min＝2D    (2)

步骤五：将起落航线6点和7点布置于跑道端头中心线位置，从6点到7点方向与从2点到3点方向相同。

如背景技术所述，无人机在起飞和着陆时须根据2点和3点的位置信息计算跑道方向角度，以便控制无人机的航向沿跑道方向，而2点和3点距离过近时，角度的计算将会出现较大的偏差，不利于飞行安全。因此当预定着陆点为2点时，通常3点位于跑道端头的中心线处以尽量远离2点得到更为精确的跑道方向角度信息。而考虑正逆向着陆时，2点和3点均为预定着陆点，其距离较近不能作为计算跑道方向角的依据，因此考虑增加6点和7点来计算跑道方向角，并将6点和7点布置于跑道端头中心线位置以得到尽可能高的跑道航向角精度。

本发明的优点在于：(1)给出了无人机起落航线的编排方法，为其自主起降提供必要前提；(2)为无人机正逆向着陆提供解决方案，提高了无人机的起降安全性，尤其适用于长航时无人机；(3)为无人机起降时地面操控提供条件，便于实现起降时的人工干预，增强了无人机安全保障能力；(4)为实现高精度的跑道航向角计算提供依据，以实现对地面滑行和下滑着陆时无人机航向的精确控制，进一步提高无人机起降安全；(5)结构简单，易于实现。

附图说明

图1是现有技术中的有人机五边航线飞行示意图。

图2是现有技术中的有人机五边航线组成示意图。

图3是现有技术中的由六点构成的无人机起落航线示意图。

图4是考虑着陆方向改变的无人机起落航线示意图。

图5是本发明提供的无人机起落航线示意图。

图6是依据本发明所述方法的无人机起落航线实例图。

具体实施方式

下面将结合实例以及附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的无人机起落航线编排方法的思路是，若考虑无人机的正逆向着陆问题，可将五边航线设置为对称航线，正向着陆时，2点为预定着陆点，飞机沿5点-0点-1点-2点飞行着陆；逆向着陆时，3点为预定着陆点，飞机沿0点-5点-4点-3点飞行着陆。这样将又带来2点、3点及地面操纵站的位置选取的两难问题。由于2点和3点均为预定着陆点，而预定着陆点的位置需布置在地面操控站附近的跑道中心线处，因此地面操控站只能布在2点和3点中间位置，并且距离2点和3点距离均不能过远，其直接结果是2点和3点距离较近，如图4所示。而无人机在起飞和着陆时须根据2点和3点的位置信息计算跑道方向角度，以便控制无人机的航向沿跑道方向，而2点和3点距离过近时，角度的计算将会出现较大的偏差，不利于飞行安全。因此，本发明进一步引入起落航线6点和7点用来计算跑道方向角来解决该问题。

实施例

考虑某无人机进场定高飞行高度H＝200m，飞机的下滑线角度λ＝2.5°，航点切换距离D＝1000m。机场跑道长2400m，宽60m，其左侧有障碍物，右侧空旷。下面可通过本发明提供的如下步骤实现该无人机的起落航线的编排，如图5所示：

步骤一：将起落航线2点和3点布置于跑道纵向中心线上，并且分别位于跑道纵向中心线的中点两侧的对称位置，该两点距跑道纵向中心线的中点距离均为200m。以从2点到3点方向为无人机起飞方向即正向着陆方向。

步骤二：根据飞机进场定高飞行高度H及飞机的下滑角λ计算起落航线3点与4点之间的最短距离D_34min：

D_34min＝H·ctgλ＝200·ctg(2.5°)＝4850m。

将起落航线4点布置于沿2点到3点方向延长线上，3点与4点之间的距离D₃₄为：

D₃₄＝D_34min+1000＝5850m。

步骤三：将起落航线1点布置于沿2点到3点方向反向延长线上，1点与2点之间的距离D₁₂与D₃₄相同，即D₁₂＝5850m。

步骤四：根据飞机的航点切换距离D计算0点到1点之间的最短距离D_01min以及4点到5点之间的最短距离D_45min：

D_01min＝D_45min＝2D＝2000m。

根据机场周边情况，将起落航线0点和5点布置于跑道的右侧，并出于简单直观考虑可使得0点-1点-2点-3点-4点-5点连线构成封闭矩形，即由0点-1点构成的航段垂直于由1点-2点构成的航段，由5点-4点构成的航段垂直于由4点-3点构成的航段。0点到1点之间的距离D₀₁与4点到5点之间的距离D₄₅相等，且为：

D₀₁＝D₄₅＝D_01min+1000＝3000m。

步骤五：将起落航线6点和7点布置于跑道两端的端线与跑道纵向中心线的交点位置，即6点和7点相距2400m，从6点到7点方向与起飞方向相同。

该无人机起落航线编排完成后如附图6所示。当无人机起飞时，根据起落航线6点和7点位置计算从6点到7点方向的角度即跑道方向角度，并根据该角度进行飞机的航向控制。无人机准备着陆时，地面操纵站根据当时风力风向情况选取着陆方向并通过测控指令发送至无人机。若着陆方向为正向着陆，无人机在完成任务飞行后，沿5点-0点-1点-2点完成相应的动作并根据起飞时计算的跑道方向角度进行飞机的航向控制；若着陆方向为逆向着陆，无人机在完成任务飞行后，沿0点-5点-4点-3点完成相应的动作，并根据起落航线6点和7点位置计算从7点到6点方向的角度，并根据该角度进行飞机的航向控制。

Claims (2)

1.一种无人机起落航线编排方法，其特征在于，所述的编排方法按照以下步骤实现：

步骤一：将起落航线2点和3点布置于跑道纵向中心线上，并分别对称布置在跑道纵向中心线的中点位置的两侧，以从2点到3点方向为无人机正向着陆方向，2点为正向着陆预定着陆点，3点为逆向着陆预定着陆点；

步骤二：将起落航线4点布置于沿2点到3点方向延长线上，根据飞机进场定高飞行高度H及飞机的下滑角λ计算起落航线3点与4点之间的最短距离D_34min，如公式(1)所示：

D_34min＝H·ctgλ    (1)

步骤三：将起落航线1点布置于沿2点到3点方向反向延长线上，1点与2点之间的距离和3点与4点之间的距离相同；

步骤四：将起落航线0点和5点布置于跑道的同一侧，并使得0点-1点-2点-3点-4点-5点-0点连线构成封闭四边形；

步骤五：当无人机起飞时，根据起落航线6点和7点位置计算从6点到7点方向的角度，作为跑道方向角度，将起落航线6点和7点布置于跑道端头的端线与跑道纵向中心线的交点位置，从6点到7点方向与从2点到3点方向相同。

2.根据权利要求1所述的无人机起落航线编排方法，其特征在于，步骤四中所述的封闭四边形为封闭矩形，0点到1点之间的最短距离D_01min以及4点到5点之间的最短距离D_45min根据飞机的航点切换距离D计算得到，如公式(2)所示：

D_01min＝D_45min＝2D    (2)。

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