CN109460057B - 一种面向多目标的网格化翼伞归航方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向多目标的网格化翼伞归航方法，包括以下步骤：对翼伞系统机动能力进行估算；将可着陆地域进行网格分区，将每个网格分区的中心作为着陆的近似目标点；修正外边界非正方形网格分区内的近似目标点；对设有规避点的网格分区进行修正，进而优化相应网格分区的近似目标点；依据离开飞机后翼伞系统展开位置获取最终控制的目标点；操纵翼伞向获取的最终控制目标点飞行，直至着陆，适用于着陆区域范围较大，着陆点位置无法确定，或受到着陆地形地貌条件限制、需要规避某些着陆位置等特殊要求条件下，采用翼伞系统实现对航天器、无人机等设备的安全可控回收，提高着陆的精确性及安全性。
Description
技术领域
本发明涉及航空设备技术领域，具体涉及一种面向多目标的网格化翼伞归航方法。
背景技术
翼伞系统的精确归航控制技术是实现翼伞系统精确安全着陆的关键。精确归航依赖于两个方面：一是精确导航定位，实时获得系统在空间场的三维位置、姿态等信息；二是翼伞飞行控制策略，引导翼伞系统按照规划的策略向目标位置飞行，最终达到预定的目标位置精确着陆。
现有技术中，已有采用卫星/惯导的组合导航方式，数据定位精确、数据更新率满足翼伞系统的使用要求。翼伞飞行控制策略可采用分段归航的模式，基于预设的固定目标点，或者从多个预设的目标点中选择某一个目标点，进行翼伞飞行控制，能够实现精确着陆。
当对着陆区域增加限制条件时，例如限定了着陆范围，但是着陆目标点不确定；或者着陆地理条件限制，需要规避地面重点位置等，上述基于预设目标点的翼伞归航控制策略无法适用。
本发明采用多目标的网格化翼伞归航方法，针对翼伞系统的位置及自身机动飞行能力，计算确定可达的目标位置，满足翼伞系统着陆可控性、精确性、安全性等要求。该发明应用于航天飞行器(例如火箭助推器、返回舱等)、无人机的可控回收，将设备控制在可控区域安全着陆，有利于设备的重复使用，降低地面保障要求，节约费用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种面向多目标的网格化翼伞归航方法，实现翼伞系统精确安全着陆，适用于着陆区域范围较大，着陆点位置无法确定，或受到着陆地形地貌条件限制、需要规避某些着陆位置等特殊要求条件下，采用翼伞系统实现对航天器、无人机等设备的安全可控回收，提高着陆的精确性及安全性。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种面向多目标的网格化翼伞归航方法，包括以下步骤：
1)对翼伞系统机动能力进行估算；
2)将可着陆地域进行网格分区，将每个网格分区的中心作为着陆的近似目标点；
3)修正外边界非正方形网格分区内的近似目标点；
4)对设有规避点的网格分区进行修正，进而优化相应网格分区的近似目标点；
5)依据离开飞机后翼伞系统展开位置获取最终控制的目标点；
6)操纵翼伞向获取的最终控制目标点飞行，直至着陆。
按照上述技术方案，所述步骤1)中，翼伞系统机动能力为翼伞系统机动飞行距离D：
其中，Hk为翼伞系统展开后所处的海拔高度，H0为着陆区域的地面平均海拔高度，Vh为翼伞系统运动水平速度，Vv为翼伞系统运动垂直速度，V为着陆场区间的空中风的平均风速；翼伞系统滑翔比λ＝Vh/Vv。
按照上述技术方案，所述的步骤2)中将可着陆地域进行网格分区的具体过程为：确定着陆区域的边界位置A(Ba、La)、B(Bb、Lb)、C(Bc、Lc)、D(Bd、Ld)、...、P(Bp、Lp)，其中，括号内的B为纬度，L为经度。分别以边界点位置中的最北点、最东点位置为基准，以2D为距离，分别由北向南、由东向西将着陆区域划分为N个边距为2D的正方形的网格。
按照上述技术方案，所述的步骤3)中修正外边界非正方形网格分区内的近似目标点的具体过程为：
当边界网格分区面积S＜正方形网格面积的一半(即S＜2D2)时，取消该边界网格内的近似目标点；
当边界网格分区面积S≥正方形网格的面积的一半(即S≥2D2)时，修正近似目标点位置于该网格分区的中心位置，若边界网格分区为长方形，选择中心点为修正后的近似目标点；若边界网格分区为非长方形，修正时以该网格分区的三条内边做内切圆，圆心位置为修正后的近似目标点。
按照上述技术方案，所述的步骤4)中对设有规避点网格分区进行修正，进而优化相应网格分区的近似目标点位置的具体过程为：
A)计算规避点与其最近的近似目标点的距离Dy；
B)若Dy＜翼伞系统机动距离D，则取消该近似目标点，若Dy≥翼伞系统机动距离D，则保留该近似目标点；
C)对于因规避点而取消近似目标点的相应网格分区，将被采用就近分割的原则分割至与其相邻的网格分区，形成修正后的网格分区；
D)对应修正后发生变化的网格分区的近似目标点位置进行修正，使修正后的近似目标点位置重新位于修正后的网格分区中心。
按照上述技术方案，所述步骤D)中对应修正后发生变化的网格分区的近似目标点位置进行修正的具体方法为：采用内切圆的方法求得修正后的近似目标点，使修正后的近似目标点到达相应网格分区的各边距离相同。
按照上述技术方案，所述的步骤5)中获取最终控制的目标点的具体过程为：从翼伞系统展开工作及翼伞完全开伞张满后，通过导航定位获得翼伞系统在空中的位置信息，计算获得翼伞着陆理论点位置，计算理论点与各目标点位置之间的距离S，选取S最小对应的目标点位置作为最终控制的目标点。
按照上述技术方案，从翼伞系统展开工作及翼伞完全开伞张满后，通过导航定位获得翼伞系统在空中位置为(Bk，Lk)，计算获得翼伞着陆理论点位置为：(Bk+D×cosθ，Lk+D×sinθ)，各网格分区的目标点位置为：(Bn，Ln)，其中以上括号内为相应位置的纬度和经度，D为翼伞系统机动飞行距离，θ为翼伞系统所在区域的风向。
按照上述技术方案，理论点与各目标点位置之间的距离S为：
S＝R×arccos(cos(LK+D·sinθ)·cosLn·cos(Bk+D·cosθ-Bn)+sin(LK+D·sinθ)·sinLn)其中，R是地球半径，D为翼伞系统机动飞行距离，θ为翼伞系统所在区域的风向。
按照上述技术方案，所述的步骤6)中，翼伞飞行控制的具体过程为：获得最终控制的目标点后，先采用向心段飞行，控制翼伞系统朝目标点位置飞行，尽快到达目标点中心位置。到达目标点上空后，执行单侧操纵下拉，控制翼伞系统能够始终围绕目标点中心位置盘旋下降，直至系统着陆，保证翼伞系统的控制精度。
本发明具有以下有益效果：
通过本方法确定可达的着陆目标位置，准确控制翼伞系统在安全可控区域着陆，实现翼伞系统精确安全着陆，避免造成地面伤害，减少地面人员保障，保障航天器试验的有效开展以及航天器的重复利用，同样适用于翼伞系统面临着陆区域范围较大，着陆点位置不确定，或受到着陆地域的地形地貌条件限制的情况下对无人机等设备的安全可控回收。
附图说明
图1是本发明实施例中翼伞系统机动能力估算示意图；
图2是本发明实施例中着陆区域网格分区的示意图；
图3是本发明实施例中修正外边界网格内的近似目标点位置示意；
图4是本发明实施例中规避点与相邻目标点的距离示意；
图5是本发明实施例中网格就近分割示意图；
图6是本发明实施例中修正网格分区示意图；
图7是本发明实施例中修正目标点位置；
图8是本发明实施例中优化后的网格分区及目标点位置；
图9是本发明实施例中翼伞系统归航控制示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图9所示，本发明提供的一个实施例中的面向多目标的网格化翼伞归航方法，包括以下步骤：
1)对翼伞系统机动能力进行估算；
2)将可着陆地域进行网格分区，将每个网格分区的中心作为着陆的近似目标点；
3)修正外边界非正方形网格分区内的近似目标点；
4)对设有规避点的网格分区进行修正，进而优化相应网格分区的近似目标点；
5)依据离开飞机后翼伞系统展开位置获取最终控制的目标点；
6)操纵翼伞向获取的最终控制目标点飞行，直至着陆。
进一步地，如图1所示，所述步骤1)中，翼伞系统机动能力为翼伞系统机动飞行距离D：
其中，Hk为翼伞系统展开后所处的海拔高度，H0为着陆区域的地面平均海拔高度，Vh为翼伞系统运动水平速度，Vv为翼伞系统运动垂直速度，V为着陆场区间的空中风的平均风速；翼伞系统滑翔比λ＝Vh/Vv。
进一步地，还需要考虑更为复杂的因素：着陆场区间的各层风速Vi、风向θi等条件，考虑的因素越多，其估算越准确。
进一步地，所述的步骤2)中将可着陆地域进行网格分区的具体过程为：确定着陆区域的边界位置A(Ba、La)、B(Bb、Lb)、C(Bc、Lc)、D(Bd、Ld)、...、P(Bp、Lp)，其中，括号内的B为纬度，L为经度。分别以边界点位置中的最北点、最东点位置为基准，以2D为距离，分别由北向南、由东向西将着陆区域划分为N个边距为2D的正方形的网格；每个正方形网格分区的中心为近似的目标点位置。
由于着陆区域一般范围较大，超出翼伞的机动飞行距离D，翼伞在有限的条件下无法满足着陆区域的全覆盖，因此对可着陆的地域进行网格分区。
进一步地，所述的步骤3)中修正外边界非正方形网格分内的近似目标点的具体过程为：目前获得的近似目标点为每个网格的中心点，由于着陆区域可能为不规则的区域，边界上的网格非正方形，因此需对位于外边界的目标点位置进行修正，使之基本位于该网格的中心位置；
修正近似目标点位置分为以下两种情况：
①当边界网格分区面积S＜正方形网格面积的一半(即S＜2D2)时，取消该边界网格分区内的近似目标点；
②当边界网格分区面积S≥正方形网格的面积的一半(即S≥2D2)时，修正近似目标点位置于该网格分区的中心位置，若边界网格分区为长方形，选择中心点为修正后的近似目标点；若边界网格分区为非长方形，修正时以该网格分区的三条内边做内切圆，圆心位置为修正后的近似目标点。
进一步地，所述的步骤4)中对设有规避点网格分区进行修正，进而优化相应网格分区的近似目标点位置的具体过程为：
A)在着陆区域内标识需规避的位置，计算规避点与其最近的近似目标点的距离Dy；
B)若Dy＜翼伞系统机动距离D，则取消该近似目标点，若Dy≥翼伞系统机动距离D，则保留该近似目标点；
C)对于因规避点而取消近似目标点的相应网格分区，将被采用就近分割的原则分割至与其相邻的网格分区，形成修正后的网格分区；
D)对应修正后发生变化的网格分区的近似目标点位置进行修正，使修正后的近似目标点位置重新位于修正后的网格分区中心。
进一步地，所述步骤D)中对应修正后发生变化的网格分区的近似目标点位置进行修正的具体方法为：修正后的网格分区可能是五边形、六边形或多边形，采用内切圆的方法求得修正后的近似目标点，使修正后的近似目标点尽可能到达相应网格分区的各边距离相同。
进一步地，所述的步骤5)中获取最终控制的目标点的具体过程为：从翼伞系统展开工作、翼伞完全开伞张满后，通过导航定位获得翼伞系统在空中的位置信息，计算获得翼伞着陆理论点位置，计算理论点与各目标点位置之间的距离S，选取S最小对应的目标点位置作为最终控制的目标点。
进一步地，从翼伞系统展开工作、翼伞完全开伞张满后，通过导航定位获得翼伞系统在空中位置为(Bk，Lk)，计算获得翼伞着陆理论点位置为：(Bk+D×cosθ，Lk+D×sinθ)，各网格分区的目标点位置为：(Bn，Ln)，其中以上括号内为相应位置的纬度和经度，D为翼伞系统机动飞行距离，θ为翼伞系统所在区域的风向。
进一步地，理论点与各目标点位置之间的距离S为：
S＝R×arccos(cos(LK+D·sinθ)·cosLn·cos(Bk+D·cosθ-Bn)+sin(LK+D·sinθ)·sinLn)其中，R是地球半径，D为翼伞系统机动飞行距离，θ为翼伞系统所在区域的风向。
进一步地，所述的步骤6)中，翼伞飞行控制的具体过程为：获得最终控制的目标点后，先采用向心段飞行，控制翼伞系统朝目标点位置飞行，尽快到达目标点中心位置。到达目标点上空后，执行单侧操纵下拉，控制翼伞系统能够始终围绕目标点中心位置盘旋下降，直至系统着陆，保证翼伞系统的控制精度。
本发明的工作原理：
提供一种多目标网格化翼伞归航控制方法。该方法实现包含了以下几个主要步骤：(1)翼伞系统机动能力估算；(2)网格分区；(3)修正外边界网格内的近似目标点位置；(4)对规避点影响的处理；(5)修正网格分区；(6)优化目标点位置；(7)获取最终控制的目标点；(8)翼伞飞行控制。
(1)翼伞系统机动能力估算：用于计算翼伞系统可达到的渗透飞行的距离。
一般情况下，翼伞的开伞高度在海拔高度6000m～8000m范围。
翼伞系统机动飞行的距离D，由翼伞系统展开后所处的海拔高度Hk，着陆区域的地面平均海拔高度H0、翼伞系统滑翔比λ＝Vh/Vv，Vh为翼伞系统运动水平速度，Vv为翼伞系统运动垂直速度，着陆场区间的各层风速Vi、风向θi等条件决定。
理想情况下，不考虑着陆场的风速，翼伞的飞行距离D≤(Hk-H0)×λ。这里理论计算翼伞系统的机动能力，考虑到设计冗余，一般滑翔比λ取整，保证翼伞系统具有足够的机动能力。
在考虑风场的条件下，考虑翼伞系统尽可能获得最大的机动飞行的能力，使翼伞系统顺风向飞行。
计算着陆场区间的空中风的平均风速及风向：
此时翼伞系统顺风飞行的最大机动距离：
翼伞系统展开后，获得翼伞系统在空中的位置信息(Bk，Lk)，翼伞着陆时理论点位置为：(Bk+D×cosθ，Lk+D×sinθ)
(2)网格分区：用于将可着陆地域进行网格化分区。由于着陆区域一般范围较大，超出翼伞的机动飞行能力D，翼伞在有限的条件下无法满足着陆区域的全覆盖，因此对可着陆的地域进行网格分区。
确定着陆区域的边界位置A(Ba、La)、B(Bb、Lb)、C(Bc、Lc)、D(Bd、Ld)、...、P(Bp、Lp)，其中，B为纬度，L为经度。分别以边界点位置中的最北点、最东点位置为基准，以2D为距离，分别由北向南、由东向西将着陆区域划分为N个边距为2D的正方形的网格。每个正方形的中心为近似的目标点位置。
(3)修正外边界网格内的近似目标点位置：
目前获得的近似目标点为每个网格的中心点，由于着陆区域可能为不规则的区域，边界上的网格非正方形，因此需对位于外边界的目标点位置进行修正，使之基本位于该网格的中心位置。
修正近似目标点位置分为以下两种情况：
①当边界网格面积S＜正方形网格面积的一半(即S＜2D2)时，取消该边界网格内的近似目标点；
②当边界网格面积S≥正方形网格的面积的一半(即S≥2D2)时，修正近似目标点位置于该网格的中心位置，若边界网格为长方形，选择中心点为修正后的近似目标点；若边界网格为非长方形，修正时以该网格的三条内边做内切圆，圆心位置为修正后的近似目标点。
(4)对规避点影响的处理：
在着陆区域标识需规避的位置，计算规避点与最近目标点的距离Dy。
若Dy＜翼伞机动距离D，取消该近似目标点。
若Dy≥翼伞机动距离D，保留该近似目标点。
(5)修正网格分区：
针对规避点取消某网格区内的近似目标点后，该点的网格将被重新就近割，采用就近分割的原则分割至与其相邻的网格。
(6)优化目标点位置：
修正后的网格分区发生变化，对修正的网格分区进行目标点位置修正，使修正后的目标点位置位于网格的中心。
修正后的网格可能是五边形、六边形或多边形，采用内切圆的方法使修正后的目标点位置尽可能到多边形各边距离相同。
(7)获取最终控制的目标点：翼伞系统展开后，通过导航定位获得翼伞系统在空中的位置信息(Bk，Lk)，计算获得翼伞着陆理论点位置为：(Bk+D×cosθ，Lk+D×sinθ)，将理论点位置与网格分区获得的各目标点位置(Bn，Ln)分别进行计算，计算理论点(Bk+D×cosθ，Lk+D×sinθ)与各目标点位置(Bn，Ln)之间的距离S：
S＝R×arccos(cos(LK+D·sinθ)·cosLn·cos(Bk+D·cosθ-Bn)+sin(LK+D·sinθ)·sinLn)其中，R是地球半径
选取S最小对应的目标点位置(Bn，Ln)作为最终控制的目标点。
(8)翼伞飞行控制：获得最终控制的目标点后，先采用向心段飞行，控制翼伞系统朝目标点位置飞行，尽快到达目标点中心位置。到达目标点上空后，执行单侧操纵下拉，控制翼伞系统能够始终围绕目标点中心位置盘旋下降，直至系统着陆，保证翼伞系统的控制精度。
综上所述，本发明适用于着陆场区间范围较大，预先不确定固定的精确着陆目标位置，同时存在着陆场区间有特定规避要求等条件下，翼伞系统精确安全着陆。满足着陆区域范围大，规避地面重要建筑物、村庄及人员，避免造成地面伤害，减少地面人员保障，安全将装备回收至可控区域等要求。当前，各类航天器层出不穷，发射试验数量多，试验航天器的回收和试验数据的有效获取，均以航天器的有效回收为基础。基于多目标网格化翼伞归航控制方法可有效为航天器的安全可控回收提供技术支持，保障航天器试验的有效开展以及航天器的重复利用。该方法同样适用于无人机的安全可控回收。
本方法涉及翼伞系统的精确归航控制，当翼伞系统面临着陆区域范围较大，着陆点位置不确定，或受到着陆地域的地形地貌条件限制、需要重点规避某些着陆位置等特殊要求时，需根据翼伞系统自身所处的位置信息(含经纬度、高度等)，以及翼伞系统的机动能力(滑翔性能、转弯性能等)，采用多目标的网格化航迹规划策略及算法，确定可达的着陆目标位置，准确控制翼伞系统在安全可控区域着陆。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种面向多目标的网格化翼伞归航方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对翼伞系统机动能力进行估算；
2)将可着陆地域进行网格分区，将每个网格分区的中心作为着陆的近似目标点；
3)修正外边界非正方形网格分区内的近似目标点；
4)对设有规避点的网格分区进行修正，进而优化相应网格分区的近似目标点；
5)依据离开飞机后翼伞系统展开位置获取最终控制的目标点；
6)操纵翼伞向获取的最终控制目标点飞行，直至着陆；
所述的步骤4)中对设有规避点网格分区进行修正，进而优化相应网格分区的近似目标点位置的具体过程为：
A)计算规避点与其最近的近似目标点的距离Dy；
B)若Dy＜翼伞系统机动距离D，则取消该近似目标点，若Dy≥翼伞系统机动距离D，则保留该近似目标点；
C)对于因规避点而取消近似目标点的相应网格分区，将被采用就近分割的原则分割至与其相邻的网格分区，形成修正后的网格分区；
D)对应修正后发生变化的网格分区的近似目标点位置进行修正，使修正后的近似目标点位置重新位于修正后的网格分区中心。
2.根据权利要求1所述的面向多目标的网格化翼伞归航方法，其特征在于，所述步骤1)中，翼伞系统机动能力为翼伞系统机动飞行距离D：
其中，Hk为翼伞系统展开后所处的海拔高度，H0为着陆区域的地面平均海拔高度，Vh为翼伞系统运动水平速度，Vv为翼伞系统运动垂直速度，V为着陆场区间的空中风的平均风速；翼伞系统滑翔比λ＝Vh/Vv。
3.根据权利要求2所述的面向多目标的网格化翼伞归航方法，其特征在于，所述的步骤2)中将可着陆地域进行网格分区的具体过程为：确定着陆区域的边界位置A(Ba、La)、B(Bb、Lb)、C(Bc、Lc)、D(Bd、Ld)、...、P(Bp、Lp)，其中，括号内的B为纬度，L为经度，分别以边界点位置中的最北点、最东点位置为基准，以2D为距离，分别由北向南、由东向西将着陆区域划分为N个边距为2D的正方形的网格。
4.根据权利要求3所述的面向多目标的网格化翼伞归航方法，其特征在于，所述的步骤3)中修正外边界非正方形网格分区内的近似目标点的具体过程为：
当边界网格分区面积S＜正方形网格面积的一半，即S＜2D2时，取消该边界网格分区内的近似目标点；
当边界网格分区面积S≥正方形网格的面积的一半，即S≥2D2时，修正近似目标点位置于该网格分区的中心位置，若边界网格分区为长方形，选择中心点为修正后的近似目标点；若边界网格分区为非长方形，修正时以该网格分区的三条内边做内切圆，圆心位置为修正后的近似目标点。
5.根据权利要求1所述的面向多目标的网格化翼伞归航方法，其特征在于，所述步骤D)中对应修正后发生变化的网格分区的近似目标点位置进行修正的具体方法为：采用内切圆的方法求得修正后的近似目标点，使修正后的近似目标点到达相应网格分区的各边距离相同。
6.根据权利要求1所述的面向多目标的网格化翼伞归航方法，其特征在于，所述的步骤5)中获取最终控制的目标点的具体过程为：从翼伞系统展开工作及翼伞完全开伞张满后，通过导航定位获得翼伞系统在空中的位置信息，计算获得翼伞着陆理论点位置，计算理论点与各目标点位置之间的距离S，选取S最小对应的目标点位置作为最终控制的目标点。
7.根据权利要求6所述的面向多目标的网格化翼伞归航方法，其特征在于，从翼伞系统展开工作及翼伞完全开伞张满后，通过导航定位获得翼伞系统在空中位置为(Bk，Lk)，计算获得翼伞着陆理论点位置为：(Bk+D×cosθ，Lk+D×sinθ)，各网格分区的目标点位置为：(Bn，Ln)，其中以上括号内为相应位置的纬度和经度，D为翼伞系统机动飞行距离，θ为翼伞系统所在区域的风向。
8.根据权利要求7所述的面向多目标的网格化翼伞归航方法，其特征在于，理论点与各目标点位置之间的距离S为：
S＝R×arccos(cos(LK+D·sinθ)·cosLn·cos(Bk+D·cosθ-Bn)+sin(LK+D·sinθ)·sinLn)
其中，R是地球半径，D为翼伞系统机动飞行距离，θ为翼伞系统所在区域的风向。
9.根据权利要求1所述的面向多目标的网格化翼伞归航方法，其特征在于，所述的步骤6)中，翼伞飞行控制的具体过程为：获得最终控制的目标点后，先采用向心段飞行，控制翼伞系统朝目标点位置飞行，尽快到达目标点中心位置，到达目标点上空后，执行单侧操纵下拉，控制翼伞系统能够始终围绕目标点中心位置盘旋下降，直至系统着陆，保证翼伞系统的控制精度。
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