CN112684810B - 一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法 - Google Patents

一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法 Download PDF

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Abstract

一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法，属于无人机航路规划技术领域。给定环绕点经纬度及环绕半径，计算无人机期望航向与侧偏，得到圆形航路，由环绕点与环绕半径可生成一个以圆形航路为内切圆的方形航路。无人机切入航路后，可沿圆形航路环绕圆心飞行，移动圆心则可使无人机按圆心移动方向螺旋前进。方形航路用于兼顾环绕飞行与防止长时间滚转运动姿态传感器出现零位漂移。有效解决了围绕兴趣点飞行执行任务，或跟踪车辆、船只等慢速移动目标的问题。

Description

一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法
技术领域
本发明涉及一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法，属于无人机航路规划技术领域。
背景技术
固定翼无人机具有飞行速度高，航程远等优点，在现代军事或民用领域都有着极其广泛的应用前景。
目前固定翼无人机的航路规划中，一般为多点连线的直线航路、定航向飞行或固定滚转角盘旋等方法。此类导航方法运用广泛、简单易用，但对于特殊任务需要围绕兴趣点飞行执行任务，或跟踪车辆、船只等慢速移动目标的情况下，往往需要提前得到兴趣点及车辆或船只确定时间的确定路线，对于突发情况则无法及时规划。固定滚转角盘旋则无法固定盘旋位置，且无人机长时间连续滚转则容易造成姿态传感器的零位漂移。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法，给定环绕点经纬度及环绕半径，计算无人机期望航向与侧偏，得到圆形航路。由环绕点与环绕半径可生成一个以圆形航路为内切圆的方形航路。无人机可沿圆形航路或方形航路环绕给定点飞行。
本发明的技术解决方案是：一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法，无人机飞行时实时接收地面站发送的切入环绕飞行指令、方形航路飞行指令和正常航路飞行指令；
若接收到切入环绕飞行指令，则实时循环判断无人机当前位置与切入环绕飞行指令中的环绕中心的距离是否在切入环绕飞行指令中的环绕半径预设距离范围内；若在预设范围内，则按切入环绕飞行指令进入环绕飞行，并计算无人机环绕飞行控制指令，控制无人机按环绕飞行指令中预设圆形航路环绕飞行；若不在预设范围内，则按切入环绕飞行指令进入航向飞行，并计算无人机航向飞行控制指令，控制无人机向环绕飞行指令中预设圆形航路飞行；
若接收到方形航路飞行指令，则按方形航路飞行指令进入方形航路飞行，并计算无人机方形航路飞行控制指令，控制无人机按方形航路飞行指令中预设方形航路飞行；
若接收到正常航路飞行指令，按正常航路飞行指令进入预设正常航路飞行，并计算无人机正常航路飞行控制指令，控制无人机按正常航路飞行指令中预设正常航路飞行。
进一步地，所述无人机航向飞行控制指令为
Figure BDA0002846582420000021
其中，φc为无人机滚转角指令，
Figure BDA0002846582420000022
为偏航角到滚转角的增益，ψc为航向给定值，ψ为航向实时值。
进一步地，所述无人机环绕飞行控制指令为：
Figure BDA0002846582420000023
Figure BDA0002846582420000024
φlaw＝φtrim+φc；
其中，φc为无人机滚转角指令，
Figure BDA0002846582420000025
为偏航角到滚转角的增益，ψc为航向给定值，ψ为航向实时值，v为无人机实时速度，g为重力加速度，R为环绕半径，Z为无人机实时侧偏值，Zc为侧偏给定值，φtrim为滚转补偿，φlaw为无人机的滚转角输出指令。
进一步地，当无人机在航向飞行时，航向给定值ψc为无人机当前位置与环绕中心连线并指向圆形航路的方向；当无人机在圆形航路环绕飞行时，航向给定值ψc为圆形航路在无人机当前位置的切线方向。
进一步地，当无人机处于圆形航路环绕飞行时，偏航角dψ绝对值小于10°后，侧偏给定值Zc恒等于给定圆形航路的半径R；其中dψ＝ψc-ψ。
进一步地，所述方形航路为根据环绕中心与环绕半径生成的以圆形航路为内切圆的正方形航路，方形航路飞行用于防止姿态传感器漂移。
进一步地，无人机环绕飞行时，实时规划圆心轨迹，使无人机按圆心轨迹以螺旋航路飞行。
进一步地，所述切入环绕飞行指令包含环绕中心的经纬度、环绕半径、环绕方向及切入环绕航路的命令；根据切入环绕飞行指令生成环绕的圆形航路与方形航路。
进一步地，所述正常航路为无人机用于起降或执行普通飞行任务的航路，区别于环绕航路。
进一步地，所述实时侧偏值在无人机处于圆形航路环绕飞行时，等于无人机到环绕中心的距离；当无人机处于方形航路飞行或正常航路飞行时，等于无人机到当前航段的垂直距离。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明主要用于固定翼无人机执行环绕的飞行任务，如定点救援、定点侦察、可疑点侦察、定点拍摄、定点科研考察、追踪监控地面或水上可疑移动目标等飞行任务。本发明方法有以下特点：1)位置闭环控制的圆形航路飞行，精确控制环绕飞行航线；2)备用方形航路，可兼顾环绕飞行与防止姿态传感器静态漂移及姿态发散；3)环绕点可实时规划，可用于执行螺旋前进的飞行任务。
附图说明
图1无人机由正常航路切入环绕航路的流程。
图2无人机从环绕航路以外切入航路。
图3无人机从环绕航路以内切入航路。
图4无人机沿圆形航路环绕飞行。
图5无人机沿方形航路环绕飞行。
图6环绕点移动时，无人机航路为螺旋航路。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～6所示)：
在本申请实施例所提供的方案中，给定环绕点O经纬度及环绕半径R，计算并生成圆形航路，并由环绕点O与环绕半径R，生成一个以圆形航路为内切圆的方形航路。其中，环绕半径R的设定值一般需要大于无人机的最小转弯半径r。
无人机切入环绕航路包含以下三种情况：a.无人机在环绕航路以外；b.无人机在环绕航路以内；c.无人机在环绕航路一定距离D范围内，D一般取值为无人机的最小转弯半径r，有D＝r。
由正常航路飞行切入环绕飞行的操作过程如图1所示，地面站发送切入环绕飞行指令，并发送环绕点O、环绕半径R及环绕方向后，无人机自动生成圆形航路与方形航路，并根据实时位置计算到圆心的距离Z。如图2所示，对于上述的a情况，Z>R+D，无人机进入航向飞行模式，航向给定值ψc由无人机实时位置P指向圆心O，即
Figure BDA0002846582420000041
的方向；如图3所示，对于上述的b情况，Z<R-D，无人机进入航向飞行模式，航向给定值ψc由圆心O指向无人机实时位置P，即
Figure BDA0002846582420000042
的方向；如图4所示，对于上述的c情况，R-D<Z<R+D，若环绕方向为顺时针方向，航向给定值ψc等于无人机当前点P指向圆心O的航向减去90°，即
Figure BDA0002846582420000043
逆时针旋转90°的方向，若环绕方向为逆时针方向，航向给定值ψc等于无人机当前点P指向圆心O的航向加上90°,即
Figure BDA0002846582420000044
顺时针旋转90°的方向，即沿圆形航路的切线方向。
航向飞行模式下，偏航角dψ为航向给定值ψc与无人机航向ψ的差，由偏航角dψ可计算得到无人机所需滚转角指令φc，通过滚转角控制作用于无人机滚转角φ，从而控制无人机跟随给定航向ψc以最短路线切入圆形环绕航路。见公式(1)，其中
Figure BDA0002846582420000051
为偏航角到滚转角的增益。
Figure BDA0002846582420000052
当无人机处于所述的c情况时，若偏航角dψ小于10°后，侧偏值Z开始参与控制，侧偏给定值Zc恒等于给定圆形航路的半径R，无人机实时侧偏值Z等于无人机到圆心的距离，即
Figure BDA0002846582420000053
无人机进入环绕飞行模式环绕圆形航路飞行。
在无人机环绕圆形航路飞行过程中，由偏航角dψ与侧偏值Z分别计算出使无人机沿航路飞行的滚转角指令φc，并由滚转补偿φtrim共同构成无人机的滚转角输出指令φlaw，其中滚转补偿φtrim产生无人机环绕飞行的向心力F，维持无人机沿圆形航路环绕飞行。参见公式(2)，(3)，(4)，其中v为无人机的飞行地速，g为重力加速度，
Figure BDA0002846582420000054
为偏航角到滚转角的增益，
Figure BDA0002846582420000055
为侧偏距到滚转角的增益。
Figure BDA0002846582420000056
Figure BDA0002846582420000057
φlaw＝φtrim+φc (4)
在无人机沿圆形航路飞行中，由于长时间连续以一定滚转角飞行，姿态传感器容易出现零位漂移的情况。如图5所示，为防止姿态传感器漂移，可根据需要，随时切入方形航路，使无人机在方形航路的直航段能进行平直飞，及时修正漂移。
如图6所示，在环绕飞行过程中，实时规划圆心轨迹，使无人机按圆心轨迹以螺旋航路飞行，可执行跟踪车辆或船只等慢速移动目标的飞行任务。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法，其特征在于，无人机飞行时实时接收地面站发送的切入环绕飞行指令、方形航路飞行指令和正常航路飞行指令；
若接收到切入环绕飞行指令，则实时循环判断无人机当前位置与切入环绕飞行指令中的环绕中心的距离是否在切入环绕飞行指令中的环绕半径预设距离范围内；若在预设范围内，则按切入环绕飞行指令进入环绕飞行，并计算无人机环绕飞行控制指令，控制无人机按环绕飞行指令中预设圆形航路环绕飞行；若不在预设范围内，则按切入环绕飞行指令进入航向飞行，并计算无人机航向飞行控制指令，控制无人机向环绕飞行指令中预设圆形航路飞行；
若接收到方形航路飞行指令，则按方形航路飞行指令进入方形航路飞行，并计算无人机方形航路飞行控制指令，控制无人机按方形航路飞行指令中预设方形航路飞行；
若接收到正常航路飞行指令，按正常航路飞行指令进入预设正常航路飞行，并计算无人机正常航路飞行控制指令，控制无人机按正常航路飞行指令中预设正常航路飞行。
2.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法，其特征在于：所述无人机航向飞行控制指令为
Figure FDA0003843923670000011
其中，φc为无人机滚转角指令，
Figure FDA0003843923670000012
为偏航角到滚转角的增益，ψc为航向给定值，ψ为航向实时值。
3.根据权利要求2所述的一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法，其特征在于，所述无人机环绕飞行控制指令为：
Figure FDA0003843923670000013
Figure FDA0003843923670000014
φlaw＝φtrim+φc；
其中，φc为无人机滚转角指令，
Figure FDA0003843923670000021
为偏航角到滚转角的增益，ψc为航向给定值，ψ为航向实时值，v为无人机实时速度，g为重力加速度，R为环绕半径，Z为无人机实时侧偏值，Zc为侧偏给定值，φtrim为滚转补偿，φlaw为无人机的滚转角输出指令，
Figure FDA0003843923670000022
为侧偏距到滚转角的增益。
4.根据权利要求2或3所述的一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法，其特征在于，当无人机在航向飞行时，航向给定值ψc为无人机当前位置与环绕中心连线并指向圆形航路的方向；当无人机在圆形航路环绕飞行时，航向给定值ψc为圆形航路在无人机当前位置的切线方向。
5.根据权利要求4所述的一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法，其特征在于：当无人机处于圆形航路环绕飞行时，偏航角dψ绝对值小于10°后，侧偏给定值Zc恒等于给定圆形航路的半径R；其中dψ＝ψc-ψ。
6.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法，其特征在于：所述方形航路为根据环绕中心与环绕半径生成的以圆形航路为内切圆的正方形航路，方形航路飞行用于防止姿态传感器漂移。
7.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法，其特征在于：无人机环绕飞行时，实时规划圆心轨迹，使无人机按圆心轨迹以螺旋航路飞行。
8.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法，其特征在于：所述切入环绕飞行指令包含环绕中心的经纬度、环绕半径、环绕方向及切入环绕航路的命令；根据切入环绕飞行指令生成环绕的圆形航路与方形航路。
9.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法，其特征在于：所述正常航路为无人机用于起降或执行普通飞行任务的航路，区别于环绕航路。
10.根据权利要求3所述的一种固定翼无人机环绕飞行的导航方法，其特征在于：所述实时侧偏值在无人机处于圆形航路环绕飞行时，等于无人机到环绕中心的距离；当无人机处于方形航路飞行或正常航路飞行时，等于无人机到当前航段的垂直距离。
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