CN113885582B - 一种考虑气象可视环境的无人机飞行轨迹调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑气象可视环境的无人机飞行轨迹调整方法，该方法包括如下步骤：无人机利用气象数据输入模块读取飞行路线中的云层信息；设定无人机的飞行信息；根据所获得的云层信息以及实时飞行影像记录系统，动态判断前飞路线中是否存在遮挡无人机下方可视环境的云层；若不存在，则无人机继续以巡航高度h v 巡航飞行；若存在，则根据所获得的云层信息以及实时飞行影像记录系统进一步判断云层类型；根据所判断的云层类型，判断无人机所需采取的轨迹调整方式。本发明相比常规无人机轨迹调整方法，复杂度相当，考虑了存在安全风险的气象环境，利用绕行的方式提高无人机的飞行安全性，且可以更好地提高无人机对地观测质量。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器自主轨迹调整领域，尤其涉及一种考虑气象可视环境的无人机飞行轨迹调整方法。
背景技术
低空飞行环境中的空域气象调节条件复杂，各种类型的云层遍布各地，导致飞行器对下方进行视觉观测时会存在遮挡现象，轻则会影响观测、追踪效果，重则会丢失目标。除此之外，低空飞行环形中还存在积雨云、浓积云等可以严重影响飞行的气象环境，无人机飞行安全受到极大威胁。
目前国内外针对无人机考虑气象可视环境的飞行轨迹调整的方法的研究主要集中在调整无人机飞行高度、以及采用性能更强的机载影像系统等方面，其研究思路是牺牲一部分安全冗余来降低无人机的飞行高度、以及搭载分辨率更高的摄像头、利用强大的去模糊算法来实现不同气象环境的对地观测质量。上述方法存在无人机安全性能降低、算法复杂的技术缺陷。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明构建了一种考虑气象可视环境的无人机飞行轨迹调整方法，在满足无人机安全高效飞行的同时，尽可能地减少云层对观测及安全飞行的影响。
上述技术效果是通过下述技术方案实现的：
一种考虑气象可视环境的无人机飞行轨迹调整方法，该方法包括如下步骤：
S0：无人机利用气象数据输入模块读取飞行路线中的云层信息，包括读取飞行路线中涉及到的云层类型、云层底端距离地面高度h s ；
S1：设定无人机巡航飞行速度V、无人机巡航高度h v 、无人机允许飞行的高度范围由低到高为h 0~h 1、危险云层安全距离k、及无人机的安全响应距离l；
S2：根据所获得的云层信息以及实时飞行影像记录系统，动态判断前飞路线中是否存在遮挡无人机下方可视环境的云层；若不存在，则无人机继续以巡航高度h v 巡航飞行；若存在，则根据所获得的云层信息以及实时飞行影像记录系统进一步判断云层类型；
S3：根据所判断的云层类型，判断无人机所需采取的轨迹调整方式。
进一步地，步骤S3中，轨迹调整方式包括两种：下滑轨迹l d 或上升避让轨迹l r 。
进一步地，步骤S3中，当判断云层类型为层积云，且云层底端距离地面高度h s 大于无人机最低飞行高度h 0，则无人机采取的轨迹调整方式为下滑轨迹l d ，即：在距离云层前缘距离达到安全响应距离l时无人机开始改变轨迹下滑飞行，保持前向速度V不变，则需要下滑飞行的时间为l/V，需要在此时间间隔内向地面移动的距离为h v -h s ，在此时间间隔内无人机的下滑率为V(h v -h s )/l。
进一步地，步骤S3中，当判断云层类型为层积云，且云层底端距离地面高度h s 小于无人机最低飞行高度h 0，则判断云层类型为浓积云或积雨云。
进一步地，步骤S3中，当判断云层类型为浓积云或积雨云时，无人机采取的轨迹调整方式为避让轨迹l r ，即：以无人机前行路线与云层重合的线段的中点为圆心，分别计算前行路线上侧及下侧云层的边界最大影响半径r1与r2，取r1、r2中较小值为r，且向r1、r2中较小值一侧改变飞行轨迹，在距离云层前缘距离达到安全响应距离l时无人机开始转向并在距离云层安全距离k时切入至圆弧轨迹，圆弧半径为r+k，直至无人机完全绕开云层后再调整姿态回到初始前飞轨迹。
进一步地，在步骤S0中，气象数据输入模块读取的云层信息的数据来源包括实时同步的前飞路线上的气象数据，同时还包括由机载计算机或地面基站计算机根据气象数据分析前行轨迹内影响无人机可视环境的云层信息的数据。
进一步地，无人机为固定翼飞机。
进一步地，无人机的安全响应距离l的设定是基于该无人机的飞行动力学模型推算、以往试飞数据分析或实时飞行状态评估获得的。
进一步地，无人机装载有前视摄像头，用于辅助判断前飞云层信息。
进一步地，无人机装载有微型计算机，用于根据所获取的云层信息以及实时飞行影像记录对轨迹调整方式进行计算并输出响应的控制指令。
本发明相对于现有技术的有益效果：
（1）本发明的考虑气象可视环境的无人机飞行轨迹调整方法，相比常规无人机轨迹调整方法，复杂度相当，且可以更好地提高无人机对地观测质量。
（2）本发明的考虑气象可视环境的无人机飞行轨迹调整方法同时考虑了存在安全风险的气象环境，利用绕行的方式提高无人机的飞行安全性。
附图说明
图1是为本发明的无人机飞行轨迹调整方法流程图。
图2是本发明方法步骤S3中的第一种情况无人机轨迹改变图。
图3是本发明方法步骤S3中的第二、三种情况无人机轨迹改变图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的一种考虑气象可视环境的无人机飞行轨迹调整方法包括如下步骤：
S0：无人机利用气象数据输入模块读取飞行路线中的云层信息，包括读取飞行路线中涉及到的云层类型、云层底端距离地面高度。
S1：设定无人机巡航飞行速度V、无人机巡航高度h v 、无人机允许飞行的高度范围由低到高为h 0~h 1、危险云层安全距离k、及无人机的安全响应距离l。危险云层的安全距离是基于云层类型的统计信息、以及以往的飞行数据分析或者实时对云层干扰情况动态评估得到的，无人机的安全响应距离l的设定是基于该无人机的飞行动力学模型推算、以往试飞数据分析或实时飞行状态评估获得的。可选的响应距离包括但不限于普遍气象情况下，无人机可以在此距离内下降至脱离云层高度、无人机可在此距离内完成90°的航向改变。响应距离非变量，是根据统计的气象信息以及风险水平有关。
S2：根据所获得的云层信息以及实时飞行影像记录系统，动态判断前飞路线中是否存在遮挡无人机下方可视环境的云层；若不存在，则无人机继续以巡航高度h v 巡航飞行；若存在，则根据所获得的云层信息以及实时飞行影像记录系统进一步判断云层类型。本发明的考虑气象可视环境的无人机飞行轨迹调整方法，在开始巡航前，读取全国的天气信息，并计算出前行路线中覆盖到的区域，统计出路线中涉及到的层积云、积雨云与浓积云位置及尺寸信息，然后开始巡航，在即将靠近目标云层时，通过无人机搭载的机载影像系统，比如前视摄像头，再次确认前方云层信息。
S3：根据所判断的云层类型，判断无人机所需采取的轨迹调整方式。本发明的轨迹调整方式包括两种：下滑轨迹l d 或上升避让轨迹l r 。
具体的，步骤S3中，包括下述三种情况：
（1）如图2所示，当判断云层类型为层积云，且云层底端距离地面高度h s 大于无人机最低飞行高度h 0，则无人机采取的轨迹调整方式为下滑轨迹l d ，即：在距离云层前缘距离达到安全响应距离l时无人机开始改变轨迹下滑飞行，保持前向速度V不变，则需要下滑飞行的时间为l/V，需要在此时间间隔内向地面移动的距离为h v -h s ，在此阶段无人机的下滑率为V(h v -h s )/l。
（2）判断云层类型为层积云，且云层底端距离地面高度h s 小于无人机最低飞行高度h 0，则判断云层类型为浓积云或积雨云，进入第三种情况。
（3）如图3所示，当判断云层类型为浓积云或积雨云时，无人机采取的轨迹调整方式为避让轨迹l r ，即：以无人机前行路线与云层重合的线段的中点为圆心，分别计算前行路线上侧及下侧云层的边界最大影响半径r1与r2，取r1、r2中较小值为r，为快速避开此危险区域，向r1、r2中较小值一侧改变飞行轨迹，在距离云层前缘距离达到安全响应距离l时无人机开始转向并在距离云层安全距离k时切入至圆弧轨迹，圆弧半径为r+k，直至无人机完全绕开云层后再调整姿态回到初始前飞轨迹。
在步骤S0中，气象数据输入模块读取的云层信息的数据来源包括实时同步的前飞路线上的气象数据，同时还包括由机载计算机或地面基站计算机根据气象数据分析前行轨迹内可能存在的影响无人机可视环境的云层信息的数据。
本发明的无人机为固定翼飞机，无人机装载有微型计算机，用于根据所获取的云层信息以及实时飞行影像记录对轨迹调整方式进行计算并输出响应的控制指令。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种考虑气象可视环境的无人机飞行轨迹调整方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S0：无人机利用气象数据输入模块读取飞行路线中的云层信息，包括读取飞行路线中涉及到的云层类型、云层底端距离地面高度h s ；
S1：设定无人机巡航飞行速度、无人机巡航高度h v 、无人机允许飞行的高度范围由低到高为h 0~h 1、危险云层安全距离k、及无人机的安全响应距离l；
S2：根据所获得的云层信息以及实时飞行影像记录系统，动态判断前飞路线中是否存在遮挡无人机下方可视环境的云层；若不存在，则无人机继续以巡航高度h v 巡航飞行；若存在，则根据所获得的云层信息以及实时飞行影像记录系统进一步判断云层类型；
S3：根据所判断的云层类型，判断无人机所需采取的轨迹调整方式；
步骤S3中，轨迹调整方式包括两种：下滑轨迹l d 或上升避让轨迹l r ；
步骤S3中，当判断云层类型为层积云，且云层底端距离地面高度h s 大于无人机最低飞行高度h 0，则无人机采取的轨迹调整方式为下滑轨迹l d ，即：在距离云层前缘距离达到安全响应距离l时无人机开始改变轨迹下滑飞行，保持前向速度V不变，则需要下滑飞行的时间为l/V，需要在此时间间隔内向地面移动的距离为h v -h s ，在此时间间隔内无人机的下滑率为V(h v -h s )/l；
步骤S3中，当判断云层类型为浓积云或积雨云时，无人机采取的轨迹调整方式为上升避让轨迹l r ，即：以无人机前行路线与云层重合的线段的中点为圆心，分别计算前行路线上侧及下侧云层的边界最大影响半径r1与r2，取r1、r2中较小值为r，且向r1、r2中较小值一侧改变飞行轨迹，在距离云层前缘距离达到安全响应距离l时无人机开始转向并在距离云层安全距离k时切入至圆弧轨迹，圆弧半径为r+k，直至无人机完全绕开云层后再调整姿态回到初始前飞轨迹。
2.如权利要求1所述的考虑气象可视环境的无人机飞行轨迹调整方法，其特征在于，步骤S3中，当判断云层类型为层积云，且云层底端距离地面高度h s 小于无人机最低飞行高度h 0，则判断云层类型为浓积云或积雨云。
3.如权利要求1所述的考虑气象可视环境的无人机飞行轨迹调整方法，其特征在于，在步骤S0中，气象数据输入模块读取的云层信息的数据来源包括实时同步的前飞路线上的气象数据，同时还包括由机载计算机或地面基站计算机根据气象数据分析前行轨迹内影响无人机可视环境的云层信息的数据。
4.如权利要求1所述的考虑气象可视环境的无人机飞行轨迹调整方法，其特征在于，无人机为固定翼飞机。
5.如权利要求1所述的考虑气象可视环境的无人机飞行轨迹调整方法，其特征在于，无人机的安全响应距离l的设定是基于该无人机的飞行动力学模型推算、以往试飞数据分析或实时飞行状态评估获得的。
6.如权利要求1所述的考虑气象可视环境的无人机飞行轨迹调整方法，其特征在于，无人机装载有前视摄像头，用于辅助判断前飞云层信息。
7.如权利要求1所述的考虑气象可视环境的无人机飞行轨迹调整方法，其特征在于，无人机装载有微型计算机，用于根据所获取的云层信息以及实时飞行影像记录对轨迹调整方式进行计算并输出响应的控制指令。
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