CN103176476A - 一种滑翔式无人机自主进场航路规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑翔式无人机自主进场航路规划方法，该方法以最佳滑翔方式进入着陆区域，以可变半径‘8’字形盘旋方式降低高度并调整航向，使得无人机下降到设定着陆窗口高度时，能够同时满足设定着陆航向的要求。首先根据无人机当前的位置和航程约束，初步规划一条由切线段、圆弧段和‘8’字形盘旋段组成的航线，并控制无人机沿该航线飞行，之后当无人机到达设定的着陆方向时，根据无人机当前的高度和设定的着陆窗口高度之差，动态调整盘旋段的半径和圈数，使无人机在到达设定着陆高度范围内时，满足着陆航向要求。运用本发明进行航路规划实现自主进场，可以不受天气、天候以及风干扰等客观条件的影响，具有广泛的实用性。

Description

一种滑翔式无人机自主进场航路规划方法

技术领域

本发明涉及一种滑翔式无人机自主进场航路规划方法，属于无人机导航制导与控制技术领域。

背景技术

滑翔机是一种没有动力装置，重于空气的固定翼航空器。滑翔机在下滑飞行中依靠自身重力的分量获得前进动力，这种损失高度的无动力下滑飞行称滑翔。滑翔中前进的距离与下沉的高度之比叫做滑翔比，滑翔比是衡量滑翔性能优劣的一个重要指标。由滑翔飞行的平衡关系可知，滑翔比与升阻比相等。目前，高级滑翔机的升阻比最高已超过50，即在无风条件下，滑翔机每下降1米的高度就可在水平方向上滑翔50米的距离。

滑翔式无人机的进场着陆方式通常可分为伞降和滑降两种。伞降方式是指无人机滑翔到达预定着陆场上空的一定高度后自动或遥控打开降落伞着陆。滑降方式指无人机滑翔到达着陆场后，调整无人机的航向和高度，使得无人机进入设定的着陆窗口，之后控制无人机沿给定的下滑曲线下滑并在跑道上着陆。可见，无论是伞降还是滑降，都需要无人机在着陆前调整好高度和航向，即进入下滑窗口，然后通过开伞或下滑实现安全着陆。

滑翔式无人机在进场时通常需要使飞机保持在最大滑翔比速度飞行，这样可以以损失最小的高度来保证最大的飞行距离。由于无人机每次在滑翔进场时其飞行状态（飞行高度、进场方向、相对机场的位置）各不一样，且进场过程中还会受到风干扰等不确定因素的影响，无人机到达设定着陆窗口附近的高度、航向及状态差别很大，导致无法有效地进入设定的着陆窗口，给安全着陆带来隐患。

发明内容

本发明的目的是为了提高滑翔式无人机的实时航路规划能力，提出一种自主进场航路规划方法，通过规划一条包含切线段、圆弧段和“8”字形盘旋段三部分的航线，使无人机能够以设定的着陆窗口高度到达着陆窗口，保证着陆安全。

一种滑翔式无人机自主进场航路规划方法，包括以下几个步骤：

步骤一：确定无人机进场方向；

着陆场左右两边各有一个着陆窗口，分别设为O′和O，根据无人机当前的位置，判断无人机位于着陆场中心线的左侧还是右侧，若在左侧，则无人机朝左边的着陆窗口O′方向进场，若在右侧，则无人机朝右边的着陆窗口O方向进场；

步骤二：初步规划进场航线；

初步规划的进场航线由切线段、圆弧段、第一个‘8’字形盘旋段和其他‘8’字形盘旋段三部分组成，圆弧段的起点与切线段相连，终点为着陆窗口，‘8’字形盘旋段为中心对称结构，对称中心为着陆窗口，圆弧段与第一个‘8’字形盘旋段中上面圆形的圆弧重合，切线段与第一个‘8’字形盘旋段上面圆形相切；

无人机按照切线段、圆弧段、第一个‘8’字形盘旋段、‘8’字形盘旋段依次飞行，飞行第一个‘8’字形盘旋段后，继续通过‘8’字形盘旋段调整航向和高度；

‘8’字形盘旋段的半径R和圈数n由以下方程求得：

L＝d+s+2πR·n

其中：

v为无人机的水平方向速度，v_r为无人机的下降速率，h_r为无人机当前高度与期望着陆窗口高度之差，t_g为无人机从当前高度到着陆窗口的待飞时间，L为无人机从当前高度到着陆窗口飞行长度，d为切线段的长度，s为圆弧段的长度，R的最小值取决于无人机的最小转弯半径r，最大值为r的5倍，n为整数；

步骤三：控制无人机沿航线飞行；

控制无人机以最大升阻比速度沿着初步规划的进场航线飞行；

步骤四：判断是否进入着陆窗口高度的范围；

当无人到达期望的着陆航向时，根据机载高度传感器的数据，判断无人机当前的高度与期望的着陆窗口高度之差|A|是否符合，如果不满足，进入步骤五，调整盘旋段半径和圈数；如果满足，则无人机已进入期望的着陆窗口，转入步骤六；

步骤五：调整盘旋半径和圈数；

根据无人机当前高度与期望的着陆窗口高度之差h_r、前一分钟的平均下降速率v_r，以及无人机水平方向速度v，按照公式

调整“8”字形盘旋段的半径和圈数，无人机按照调整后的半径和圈数，继续“8”字形盘旋飞行，之后进入步骤四；

步骤六：控制无人机着陆；

无人机退出“8”字形盘旋，按照设定的着陆方式，沿期望的航向下滑着陆或伞降着陆。

本发明的优点在于：

（1）运用本方法规划的航路，可以保证无人机以设定的着陆窗口高度到达着陆窗口，为后续的着陆提供了安全保证；

（2）无人机按“8”字形盘旋飞行，可以减小无人机机载惯导系统的误差漂移，提高无人机导航信息的可靠性，进一步保证了无人机的安全着陆；

（3）运用本方法规划的航路，可以不受天气、天候以及风干扰等客观条件的影响，具有广泛的实用性。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明的航线示意图；

图3是本发明的进场航线实例图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种滑翔式无人机自主进场航路规划方法，如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤一：确定无人机进场方向；

如图2所示，由于着陆场的对称性，在其左右两边各有一个着陆窗口，分别设为O′和O，根据无人机当前的位置，判断无人机位于着陆场中心线MN的左侧还是右侧，若在左侧（无人机位于图中A’点），则无人机朝左边的着陆窗口O′方向进场，若在右侧（无人机位于图中A点），则无人机朝右边的着陆窗口O方向进场；

步骤二：初步规划进场航线；

根据步骤一所确定的无人机进场方向，初步规划进场航线，使得无人机到达期望的着陆窗口高度时，同时满足着陆航向要求；

假设无人机的下降速率v_r近似不变，因此根据无人机的当前高度与期望的着陆窗口高度之差h_r，可估算待飞时间t_g；

$t_g=\frac{h_r}{v_r}$

该时间段内无人机飞过的航程L为：

$L={\mathrm{vt}}_g=\frac{{\mathrm{vh}}_r}{v_r}$

其中：v是无人机的水平方向速度。

初步规划的进场航线由切线段、圆弧段和第一个‘8’字形盘旋段三部分组成，如图2所示，圆弧段的起点与切线段相连，终点为着陆窗口，第一个‘8’字形盘旋段为中心对称结构，对称中心为着陆窗口，圆弧段与第一个‘8’字形盘旋段中上面圆形的圆弧重合，切线段与第一个‘8’字形盘旋段上面圆形相切。

飞行第一个‘8’字形盘旋段后，继续通过‘8’字形盘旋段调整航向和高度。

‘8’字形盘旋段的半径R和圈数n由以下方程求得：

L＝d+s+2πR·n

其中：d为切线段的长度，s为圆弧段的长度，R的最小值取决于无人机的最小转弯半径r，最大值为r的5倍，n为整数。

步骤三：控制无人机沿航线飞行；

控制无人机以最大升阻比速度沿着初步规划的进场航线飞行；

步骤四：判断是否进入着陆窗口高度的范围；

当无人到达期望的着陆航向时，根据机载高度传感器的数据，判断无人机当前的高度与期望的着陆窗口高度之差是否处于合适区间内（一般取[-20,20]），如果不满足，进入步骤五，调整盘旋段半径和圈数；如果满足，则无人机已进入期望的着陆窗口，转入步骤六；

步骤五：调整盘旋半径和圈数；

根据无人机当前高度与期望的着陆窗口高度之差h_r、前一分钟的平均下降速率v_r，以及水平方向速度v，按照计算公式

调整盘旋半径和圈数，无人机按照调整后的半径和圈数按“8”字形盘旋飞行，之后进入步骤四；

步骤六：控制无人机着陆；

无人机退出盘旋，按照设定的着陆方式，沿期望的航向下滑着陆或伞降着陆。

实施例：

考虑某滑翔式无人机当前飞行高度为2500米，下降速率v_r为6m/s，水平方向速度v为50m/s。如图3所示，无人机距离机场2400米，夹角为60度，两个方向的下滑窗口O和O′对称地位于机场两边，最佳下滑高度是200m。无人机的最小转弯半径为500m。

步骤一：确定无人机进场方向。

无人机位于机场中心线MN的右侧，因此以O作为着陆窗口规划航线。

步骤二：根据无人机的当前高度与最佳下滑高度之差和下降速率，估计待飞时间为

该时间段内无人机飞过的航程为L＝vt_g＝50×383＝1917m，如图3所示，由几何关系得到，切线段d距离为

圆弧段s的距离为

求解方程L＝d+s+2πR·n，当n＝2时，R＝1379m，满足最小转弯半径约束；

步骤三：控制无人机以最大升阻比速度沿着上步规划的航线飞行；

步骤四：当无人机沿切线段和圆弧段到达下滑窗口处时，通过高度传感器测量到此时的飞行高度为2250米，与最佳下滑高度相差2050米，需要调整盘旋半径和圈数；

步骤五：求解方程

当n＝2时，R＝1360m，因此将盘旋半径调整为1360米，如图3中虚线圆形所示。无人机按照“8”字形盘旋两圈后高度降为210米，与最佳下滑高度之差位于区间[-20,20]内，不需要继续盘旋；

步骤六：控制无人机着陆。

Claims (2)

1.一种滑翔式无人机自主进场航路规划方法，包括以下几个步骤：

步骤一：确定无人机进场方向；

着陆场左右两边各有一个着陆窗口，分别设为O′和O，根据无人机当前的位置，判断无人机位于着陆场中心线的左侧还是右侧，若在左侧，则无人机朝左边的着陆窗口O′方向进场，若在右侧，则无人机朝右边的着陆窗口O方向进场；

步骤二：初步规划进场航线；

初步规划的进场航线由切线段、圆弧段、第一个‘8’字形盘旋段和其他‘8’字形盘旋段三部分组成，圆弧段的起点与切线段相连，终点为着陆窗口，‘8’字形盘旋段为中心对称结构，对称中心为着陆窗口，圆弧段与第一个‘8’字形盘旋段中上面圆形的圆弧重合，切线段与第一个‘8’字形盘旋段上面圆形相切；

无人机按照切线段、圆弧段、第一个‘8’字形盘旋段、‘8’字形盘旋段依次飞行，飞行第一个‘8’字形盘旋段后，继续通过‘8’字形盘旋段调整航向和高度；

‘8’字形盘旋段的半径R和圈数n由以下方程求得：

L＝d+s+2πR·n

其中：

v为无人机的水平方向速度，v_r为无人机的下降速率，h_r为无人机当前高度与期望着陆窗口高度之差，t_g为无人机从当前高度到着陆窗口的待飞时间，L为无人机从当前高度到着陆窗口飞行长度，d为切线段的长度，s为圆弧段的长度，R的最小值取决于无人机的最小转弯半径r，最大值为r的5倍，n为整数；

步骤三：控制无人机沿航线飞行；

控制无人机以最大升阻比速度沿着初步规划的进场航线飞行；

步骤四：判断是否进入着陆窗口高度的范围；

当无人到达期望的着陆航向时，根据机载高度传感器的数据，判断无人机当前的高度与期望的着陆窗口高度之差|A|是否符合，如果不满足，进入步骤五，调整盘旋段半径和圈数；如果满足，则无人机已进入期望的着陆窗口，转入步骤六；

步骤五：调整盘旋半径和圈数；

根据无人机当前高度与期望的着陆窗口高度之差h_r、前一分钟的平均下降速率v_r，以及无人机水平方向速度v，按照公式

调整“8”字形盘旋段的半径和圈数，无人机按照调整后的半径和圈数，继续“8”字形盘旋飞行，之后进入步骤四；

步骤六：控制无人机着陆；

无人机退出“8”字形盘旋，按照设定的着陆方式，沿期望的航向下滑着陆或伞降着陆。

2.根据权利要求1所述的一种滑翔式无人机自主进场航路规划方法，|A|≤20米。

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