CN108319284B - 一种适用于障碍物环境的无人机下滑段轨迹设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于障碍物环境的无人机下滑段轨迹设计方法，包括如下步骤：S0：采集无人机机身宽度与高度以及在低空环境的最大垂向与侧向移动速度，计算无人机侧向与纵向安全包络距离；S1：设计无人机常规下滑轨迹和最大下滑角下滑轨迹；S2：当跑道延长线上存在障碍物，根据障碍物位置与高度将障碍物分为三类，其中对于无风险障碍物，采用常规进场下滑轨迹着陆飞行；对于可飞越障碍物，进场平飞高度不变，增加进场段飞行距离，下滑段前期采用最大下滑角下滑，下滑段后期采用常规下滑角下滑；对于需绕飞障碍物，降低进场平飞高度，无人机从障碍物侧向转弯进入着陆窗口，并采用常规下滑角进行下滑段飞行。

Description

一种适用于障碍物环境的无人机下滑段轨迹设计方法

技术领域

本发明涉及飞行控制技术领域，具体来说，是一种适用于障碍物环境的无人机下滑段轨迹设计方法。

背景技术

着陆过程是飞行器整个飞行过程中的事故高发段，对于无人机而言，其着陆过程要求无人机能够按照预先设定的着陆航线飞行，与之相关的着陆下滑轨迹及着陆控制策略设计对于无人机飞行安全尤为重要。如图1所示，对于轮式无人机，其着陆过程一般包含五个阶段，依次为：进场段飞行，着陆窗口捕获，下滑段飞行，拉平段飞行以及地面滑跑。无人机在结束飞行任务或者收到“场道回收”指令后，返航进入着陆进场段飞行，进场段的航线通常为水平直线，无人机保持平飞姿态，飞控计算机实时判断无人机是否进入着陆窗口。着陆窗口通常设为垂直于跑道延长线且具有一定离地高度的矩形区域，若无人机进入该区域，则可认为无人机当前位置与下滑航迹起点之间的偏差足够小，即无人机成功捕捉到下滑航迹，进而无人机转为下滑段飞行。通常在下滑过程中，无人机的下滑角与下滑速度均保持恒定。当无人机截获拉平决策高度后，飞控系统自动增大迎角使轨迹向上弯曲(通常采用指数拉平)并最终实现平稳着陆。

上述无人机着陆过程，对于地势平坦、气候平稳的机场易于实现。然而对于山区、海上机场，由于存在山体、局部恶劣天气等障碍物因素，传统的着陆航迹设计往往无法顺利实施。因此需要在传统着陆流程基础上进行一定轨迹调整。以往的下滑轨迹调整方法，当下滑轨迹上出现山体等障碍物时，采用延长调整段平飞距离，随后以相比常规下滑角(-2.5°)更为陡峭的下滑角进行下滑段飞行，然而较陡的下滑角度导致飞机下降速度较大，近地面出现紧急情况时的决策时间缩短，同时拉平段所需姿态调整幅度增大，因而采用这类方法存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何构建一种无人机下滑段轨迹，在有效避开障碍物的同时，保证无人机在下滑段后期以常规下滑角转入拉平段飞行。为了解决这一技术问题，本发明提供了一种适用于障碍物环境的无人机下滑段轨迹设计方法，包括如下步骤：

S0：计算无人机在机体坐标系下纵向与侧向的安全包络距离。

S1：设计无人机常规下滑轨迹和最大下滑角下滑轨迹。

S2：根据纵向的安全包络距离，对步骤常规进场轨迹、常规下滑轨迹与最大下滑角进场轨迹、最大下滑角下滑轨迹进行双侧加宽处理，分别得到常规进场段安全通道，常规下滑段安全通道，最大下滑角进场段安全通道与最大下滑角下滑段安全通道。

S3：对跑道延长线上的障碍物进行判断：

情况一：常规下滑段安全通道中不存在障碍物，则障碍物为无风险障碍物，采用常规进场下滑轨迹进行着陆飞行。

情况二：常规下滑段安全通道中存在障碍物，最大下滑角进场段、下滑段安全通道中不存在障碍物，则障碍物为可飞越障碍物；此时无人机进场平飞高度不变，无人机采用最大下滑角下滑轨迹进行着陆飞行。

情况三：常规进场段、下滑段安全通道和最大下滑角进场段、下滑段安全通道中均存在障碍物，则障碍物为需绕飞障碍物；此时无人机从障碍物侧向转弯进入着陆窗口，并采用常规下滑轨迹进行下滑段飞行。

上述无人机最大下滑角下滑轨迹中，前期采用最大下滑角下滑，后期采用常规下滑角下滑，则无人机下滑轨迹设计为：

其中：

本发明的优点在于：

(1)本发明适用于障碍物环境的无人机下滑段轨迹设计方法，适用于跑道延长线上存在障碍物时的进场段、下滑段轨迹调整方法，可以在不增加平飞高度的情况下，根据障碍物情况对着陆轨迹进行修正。

(2)本发明适用于障碍物环境的无人机下滑段轨迹设计方法，在应用中不论有无障碍物，无人机在下滑段后期均可以常规下滑角下滑，保证了无人机近地面飞行时的安全性。

附图说明

图1是常规飞行器着陆过程示意图。

图2是无人机纵向与侧向安全包络距离示意图。

图3是常规进场下滑安全通道与最大下滑角进场下滑安全通道对比图。

图4是可飞越障碍物着陆轨迹示意图。

图5是不可飞越障碍物着陆轨迹侧视示意图。

图6是不可飞越障碍物着陆轨迹俯视示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明提出一种适应于障碍物环境的无人机下滑段轨迹设计方法，主要包括以下步骤：

S0：采集无人机的宽度W，高度H，以及在机体坐标系下的最大垂向移动速度V_a和最大侧向移动速度V_b；并设定无人机安全响应时间τ。根据上述参数，计算无人机在机体坐标系下纵向的安全包络距离L_a＝V_a·τ+H/2，侧向的安全包络距离L_b＝V_b·τ+W/2，如图2所示。

S1：如图3所示，设置无人机常规下滑角度为θ_R，最大下滑角度为θ_M，进场段平飞高度H_P，拉平决策高度H_F以及拉平段水平方向投影长度L_F。其中，θ_R一般取为2.5°，H_F一般取为20米。θ_M可取等于或小于无人机零推力下滑角。基于上述参数设置值，分别设计无人机常规下滑轨迹和最大下滑角下滑轨迹：

以预定着陆点为原点，常规下滑轨迹为：

H_R＝(L-L_F)tanθ_R+H_F(L_F＜L＜L_F+H_P/tanθ_R-H_F/tanθ_R) (1)

最大下滑角下滑轨迹为：

H_M＝(L-L_F)tanθ_M+H_F(L_F＜L＜L_F+H_P/tanθ_M-H_F/tanθ_M) (2)

其中，L为无人机在整个降落过程中的实时位置点距离着陆点的水平方向投影长度。

S2：根据步骤S0中所求纵向的安全包络距离L_a，对步骤S1中所求常规进场段、下滑段轨迹与最大下滑角进场段、下滑段轨迹进行双侧加宽处理，使得常规进场、下滑轨迹，以及最大下滑角进场、下滑轨迹拓展为宽度为2L_a的矩形区域，则扩展后常规进场、下滑轨迹分别称之为常规进场段安全通道和常规下滑段安全通道；扩展后的最大下滑角进场、下滑轨迹分别最大下滑角进场段安全通道和最大下滑角下滑段安全通道。

当跑道延长线上存在障碍物，则需要对障碍物进行判断分类，并进行相应的进场下滑轨迹调整，具体分为以下三种情况：

情况一：常规进场段、下滑段安全通道中不存在障碍物，则认为障碍物为无风险障碍物，采用步骤S1中所设计常规下滑轨迹进行着陆飞行即可。

情况二：常规下滑段安全通道中存在障碍物，最大下滑角进场段、下滑段安全通道中不存在障碍物，则认为障碍物为可飞越障碍物。此时无人机进场平飞高度不变，增加无人机在进场段的飞行距离，下滑段中按照最大下滑角进场时的下滑轨迹下滑。传统下滑段的下滑轨迹为倾斜直线段不同，本发明下滑段的下滑轨迹由两段不同倾角的直线段组成，下滑段前期采用最大下滑角θ_M下滑，下滑段后期采用常规下滑角θ_R下滑。若障碍物高度为H_O，障碍物前立面到着陆点的水平方向距离为L_O，则根据几何关系调整后的无人机下滑轨迹为：

其中：

情况三：常规进场段、下滑段安全通道和最大下滑角进场段、下滑段安全通道中均存在障碍物(如局部恶劣天气等)，则认为障碍物为需绕飞障碍物。传统的无人机进场段轨迹与跑道延长线平行，无法对这类障碍物进行有效躲避，为此本发明令无人机从障碍物侧向(垂直于跑道方向)转弯进入着陆窗口，同时适当降低无人机进场平飞高度，从而保证在下滑段无人机可以用常规下滑角θ_R进行下滑段飞行；具体如图5所示，设无人机的转弯半径为R，则根据几何关系，调整后的无人机进场平飞高度为：

H_P'＝tanθ_R(L_O-R-L_b-L_F) (6)

无人机的下滑轨迹仍在包含着陆点的纵向平面内，具体表达式为

H_S2＝(L-L_F)tanθ_R+H_F(L_F＜L＜L_O-R-L_b)下滑段 (7)

实施例1：

采用本发明对样例无人机进行下滑段轨迹设计。

设计无人机的机身高度H＝1.6米，机身宽度为W＝16米，机体坐标系下的最大垂向移动速度V_a＝16米/秒，最大侧向移动速度V_b＝8米/秒。安全响应时间设置为τ＝0.5秒。设置无人机常规下滑角度θ_R＝2.5°，最大下滑角度θ_M＝4°，进场段平飞高度H_P＝300米，拉平决策高度H_F＝20米，拉平段水平方向投影长度L_F＝1000米。

据此计算得到无人机在机体坐标系下纵向的安全包络距离L_a＝8.8米，侧向的安全包络距离L_b＝12米。

以预定着陆点为原点，无人机进场段平飞高度为H_P＝300米，常规下滑轨迹为

H_R＝(L-1000)tan2.5°(1000m＜L＜6513m)

无人机最大下滑角下滑轨迹为

H_M＝(L-1000)tan4°(1000m＜L＜5004m)

情况一：无风险障碍物

假设在跑道延长线上存在障碍物A，障碍物A高度为H_O＝70米，障碍物A前立面到着陆点的水平方向距离为L_O＝3000米。经判断可知障碍物A处于常规进场下滑安全通道下方，不存在交集，故可认为障碍物A为无风险障碍物，采用常规下滑轨迹H_R进行着陆飞行即可。

情况二：可飞越障碍物

假设在跑道延长线上存在障碍物B，障碍物B高度为H_O＝90米，障碍物B前立面到着陆点的水平方向距离为L_O＝3000米。经判断可知障碍物B与常规下滑段安全通道存在交集，但与最大下滑角进场段、下滑段安全通道不存在交集，故障碍物B为可飞越障碍物。

则根据本发明所给方法，无人机进场段平飞高度仍为H_P，调整后的下滑段轨迹为

情况三：不可飞越障碍物

假设在跑道延长线上存在障碍物C，障碍物C高度为H_O＝400米，障碍物C前立面到着陆点的水平方向距离为L_O＝5000米，无人机转弯半径为R＝800米。经判断可知障碍物C与常规进场下滑安全通道和最大下滑角进场下滑安全通道均存在交集，故障碍物C为不可飞越障碍物。

根据本发明所给方法，调整后的无人机进场段平飞高度为H_P'＝139米，调整后的下滑段轨迹为：H_S2＝(L-1000)tan2.5°(1000m＜L＜4188m)下滑段。

Claims (2)

1.一种适应于障碍物环境的无人机下滑段轨迹设计方法，其特征在于：包括下述步骤：

S0：计算无人机在机体坐标系下纵向与侧向的安全包络距离；

采集无人机的宽度W，高度H，以及在机体坐标系下的最大垂向移动速度V_a和最大侧向移动速度V_b；并设定无人机安全响应时间τ；根据上述参数，计算无人机在机体坐标系下纵向的安全包络距离L_a＝V_a·τ+H/2，侧向的安全包络距离L_b＝V_b·τ+W/2；

S1：设计无人机常规下滑轨迹和最大下滑角下滑轨迹；无人机常规下滑轨迹和最大下滑角下滑轨迹为：

常规下滑轨迹：

H_R＝(L-L_F)tanθ_R+H_F， L_F＜L＜L_F+H_P/tanθ_R-H_F/tanθ_R (1)

最大下滑角下滑轨迹：

H_M＝(L-L_F)tanθ_M+H_F， L_F＜L＜L_F+H_P/tanθ_M-H_F/tanθ_M (2)

式中，L为无人机在整个降落过程中的实时位置点距离着陆点的水平方向投影长度；θ_R为无人机常规下滑角度；H_F为拉平决策高度；H_P为进场段平飞高度；L_F为拉平段水平方向投影长度；θ_M为最大下滑角度为；S2：根据纵向的安全包络距离，对步骤常规进场轨迹、常规下滑轨迹与最大下滑角进场轨迹、最大下滑角下滑轨迹进行双侧加宽处理，分别得到常规进场段安全通道，常规下滑段安全通道，最大下滑角进场段安全通道与最大下滑角下滑段安全通道；

S2：根据步骤S0中所求纵向的安全包络距离L_a，对步骤S1中所求常规进场段、下滑段轨迹与最大下滑角进场段、下滑段轨迹进行双侧加宽处理，使得常规进场、下滑轨迹，以及最大下滑角进场、下滑轨迹拓展为宽度为2L_a的矩形区域，则扩展后常规进场、下滑轨迹分别称之为常规进场段安全通道和常规下滑段安全通道；扩展后的最大下滑角进场、下滑轨迹分别最大下滑角进场段安全通道和最大下滑角下滑段安全通道；

S3：对跑道延长线上的障碍物进行判断：

情况一：常规下滑段安全通道中不存在障碍物，则障碍物为无风险障碍物，采用常规进场下滑轨迹进行着陆飞行；

情况二：常规下滑段安全通道中存在障碍物，最大下滑角进场段、下滑段安全通道中不存在障碍物，则障碍物为可飞越障碍物；此时无人机进场平飞高度不变，先增加无人机在进场段的飞行距离，然后采用最大下滑角下滑轨迹进行着陆飞行；无人机最大下滑角下滑轨迹中，前期采用最大下滑角下滑，后期采用常规下滑角下滑，则无人机下滑轨迹设计为：

其中：

式中，H₀为障碍物的高度，L₀为障碍物前立面到着陆点的水平方向距离；

情况三：常规进场段、下滑段安全通道和最大下滑角进场段、下滑段安全通道中均存在障碍物，则障碍物为需绕飞障碍物；此时无人机从障碍物侧向转弯进入着陆窗口，并采用常规下滑轨迹进行下滑段飞行；无人机进场平飞高度调整为：

H_P'＝tanθ_R(L_O-R-L_b-L_F)

式中，L_b为无人机在机体坐标系下侧向的安全包络距离，R为无人机转弯半径；

无人机的下滑轨迹仍在包含着陆点的纵向平面内，为：

H_S2＝(L-L_F)tanθ_R+H_F ， L_F＜L＜L_O-R-L_b。

2.如权利要求1所述一种适应于障碍物环境的无人机下滑段轨迹设计方法，其特征在于：θ_R取为2.5°，H_F取为20米；θ_M取等于或小于无人机零推力下滑角。

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