CN115790524A - 一种无人机着陆阶段离地高度计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人机着陆阶段离地高度计算方法及系统，通过卫星位置信息与跑道位置信息解算飞机实时离地高度的计算装置，在无人机不具备离地高度测量装置，或具备离地高度测量装置但其发生故障时对无人机离地高度进行实时解算，并通过飞行控制系统控制无人机进近、着陆，有效提高落点精度，避免高度信息误差造成的飞机损伤。本发明有效提高了无人机落点精度，避免了无人机在着陆阶段出现的跑道距离不足冲出跑道、着陆速度过高飞机弹起、起落架损伤甚至飞机损毁。同时，对于配备有离地高度测量传感器的无人机，将解算的离地高度信息作为冗余，在离地高度测量传感器发生故障时切换至计算离地高度，提高了无人机的可靠性和安全性。
Description
技术领域
本发明属于无人机着陆控制技术领域，涉及一种无人机着陆阶段离地高度计算方法及系统，是一种通过机载传感器信息实时高精度解算无人机着陆阶段离地高度的计算装置，对解算的离地高度进行控制进而实现无人机顺利着陆。
背景技术
无人机的离地高度是滑跑型无人机着陆过程中重要的控制量之一，一些无人机配备了无线电高度表实时测量飞机距离地面的真实高度，而很多现有中小型无人机出于降低成本、减轻重量、结构布局等原因未配备无线电高度表，仅通过大气压力传感器或卫星定位系统数据粗略求解飞机实时离地高度。实际上，由于地形、排水以及建设成本等因素，机场建设通常存在一定坡度，这导致计算高度与真实高度存在偏差。假设跑道长度2000米，跑道坡度1％(允许范围内)，则跑道两端高差为20米；假设飞机着陆阶段下滑角度为-3度(一般取-3.5度～-2.5度)，则每米的高度测量误差可导致19米的纵向距离控制偏差，极不利于无人机的高落点精度着陆，甚至影响到飞行安全造成飞机损伤。此时，迫切需要发明一种高精度解算飞机进近和着陆阶段的离地高度的计算装置。通过飞机现有传感器的数据而不需要新增传感器解算实时离地高度，使得飞机在不配备离地高度测量装置的情况下也能顺利着陆，有效避免由于离地高度数据误差造成的事故，提高无人机的安全性。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种无人机着陆阶段离地高度计算方法及系统，解决因无人机不具备离地高度测量装置和机场跑道存在坡度导致无人机离地高度数据解算精度低，进而导致落点精度低甚至引发安全性问题。
技术方案
一种无人机着陆阶段离地高度计算方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：地面站预先测量得到跑道中线各特征点的经度、纬度和高度，P(1)为跑道中线两端点中低点的位置；P(n)为跑道中线两端点中高点的位置；P(i)为跑道中线上选取的任意特征点的位置；
步骤2：当飞机当前位置为P，对飞机当前位置在跑道上的投影所在区间进行判断；
判断方法为：分别计算飞机当前位置距离每个跑道区间两端点的距离之和，距离和最短的跑道区间则为飞机位置所处跑道区间P(i)P(j)段；
步骤3、计算飞机当前位置的离地高度计算为：飞机在跑道上的投影位于P(i)P(j)段，且飞机运动方向由P(i)至P(j)，飞机当前位置投影点的海拔高度：
飞机进入跑道后的离地高度：
其中，
为飞机当前位置投影点的海拔高度；L为飞机进入当前跑道区间的距离；Lij为P(i)与P(j)之间的距离；Hi为i点海拔高度；Hj为j点海拔高度，H飞机当前的海拔高度。
所述跑道中线特征点i≤n-1。
一种实现所述无人机着陆阶段离地高度计算方法的系统，其特征在于包括卫星定位系统、地面站、飞控计算机、机载传感器和离地高度解算模块；所述卫星定位系统、离地高度解算模块、飞控计算机和机载传感器安装在无人机上；卫星定位系统测量无人机的位置信息，将位置信息输出至离地高度解算模块；地面站将飞机置于跑道的位置信息录入并上传至离地高度解算模块；离地高度解算模块根据接收无人机的位置信息和飞机置于跑道的位置信息后，实时解算出飞机的离地高度输出至飞控机飞行控制模块；飞行控制模块接收离地高度解算模块实时解算飞机的离地高度，并解算各个操纵舵面和油门的控制量，驱动飞机按照期望航迹进近、着陆；所述位置信息包括经度、纬度和高度。
若飞机未配备无线电高度表，则解算高度作为离地高度主信号，若飞机已配备无线电高度表，则解算高度作为离地高度备份信号，在无线电高度表故障时使用。
有益效果
本发明提出的一种无人机着陆阶段离地高度计算方法及系统，通过卫星位置信息与跑道位置信息解算飞机实时离地高度的计算装置，在无人机不具备离地高度测量装置，或具备离地高度测量装置但其发生故障时对无人机离地高度进行实时解算，并通过飞行控制系统控制无人机进近、着陆，有效提高落点精度，避免高度信息误差造成的飞机损伤。
本发明通过高精度解算无人机在进入跑道上空的离地高度，有效提高了无人机落点精度，避免了无人机在着陆阶段出现的跑道距离不足冲出跑道、着陆速度过高飞机弹起、起落架损伤甚至飞机损毁。同时，对于配备有离地高度测量传感器的无人机，将解算的离地高度信息作为冗余，在离地高度测量传感器发生故障时切换至计算离地高度，提高了无人机的可靠性和安全性。
附图说明
图1：无人机着陆阶段离地高度计算系统示意图
图2：无人机着陆阶段离地高度计算各个位置俯视示意图
图3：无人机着陆阶段离地高度计算各个位置侧视示意图
图4：无人机着陆阶段离地高度计算实施例位置侧视示意图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
一种无人机着陆阶段离地高度计算装置，其特征在于：通过飞行试验前获取的机场位置信息以及飞行试验中机载传感器采集得到无人机的位置信息，设计着陆离地高度计算装置。涉及到的硬件有卫星定位系统(北斗/GPS)、地面站和飞控计算机；卫星定位系统测量无人机的位置信息(经度、纬度和高度)；地面站将飞机置于跑道的位置信息(经度、纬度和高度)录入并上传至离地高度解算模块；飞控计算机接收离地高度解算模块实时解算飞机的离地高度，并解算各个操纵舵面和油门的控制量，驱动飞机按照期望航迹进近、着陆。
如图1所示，该控制系统的硬件涉及到的硬件有卫星定位系统(北斗/GPS)、地面站和飞控计算机。卫星定位系统测量无人机的经度、纬度和高度。地面站将预先测量的跑道中线各特征点的经度、纬度和高度信息录入并上传至飞控计算机离地高度解算模块。由于跑道坡度并不总是恒定的，特征点的选取应包含但不局限于跑道两端点，一般取3～5个点。地面站加载跑道位置信息应具备存储功能，每型飞机在某机场飞行只需测量一次跑道位置信息。飞控计算机用来采集各个传感器的信息，包括但不局限于：惯导、航姿测量组件、大气压力传感器、卫星定位系统、电喷控制单元，根据无人机目前的飞行状态进行余度管理及控制分配，进行相应控制模态的解算，得到各个操纵舵面和油门的控制量，驱动飞机按照期望航迹进近、着陆。离地高度解算模块位于飞控计算机内部，采集卫星定位系统的位置测量信息，实时解算飞机离地高度，传输至余度管理模块，若飞机未配备无线电高度表，则解算高度作为离地高度主信号，若飞机已配备无线电高度表，则解算高度作为离地高度备份信号，在无线电高度表故障时使用。在图1中，H_g为高度指令；y_g为航迹指令；v_g为速度指令；δe为升降舵控制量；δa为副翼控制量；δr为方向舵控制量；δt为油门控制量；v为飞行速度；phi为滚转角；theta为俯仰角；psi为偏航角；Href为飞机当前位置的离地高度；P为飞机当前位置；P(1)为跑道中线两端点中较低点的位置；P(n)为跑道中线两端点中较高点的位置；P(i)为跑道中线上选取的某特征点的位置，其中i≤n-1。
对飞机当前位置在跑道上的投影所在区间进行判断，在惯性系下将飞机位置投影到大地平面，示意图如图2所示，分别计算飞机当前位置距离每个跑道区间两端点的距离之和，距离和最短的跑道区间则为飞机位置所处跑道区间。
如图3所示，已知飞机当前位置和跑道上n个特征点的信息，可归纳出通用的飞机离地高度计算方法。飞机在跑道上的投影位于P(i)P(j)段，且飞机运动方向由P(i)至P(j)，有：
由此可得飞机进入跑道后的离地高度：
其中，
为飞机当前位置投影点的海拔高度；L为飞机进入当前跑道区间的距离；Lij为P(i)与P(j)之间的距离；Hi为i点高度；Hj为j点高度，H飞机当前的海拔高度。
如图4所示，在跑道上选取三个特征点，已知飞机当前位置可实时求解飞机离地高度。经判断，飞机在跑道上的投影位于P(2)P(3)段，则飞机此时离地高度
Claims (4)
1.一种无人机着陆阶段离地高度计算方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：地面站预先测量得到跑道中线各特征点的经度、纬度和高度，P(1)为跑道中线两端点中低点的位置；P(n)为跑道中线两端点中高点的位置；P(i)为跑道中线上选取的任意特征点的位置；
步骤2：当飞机当前位置为P，对飞机当前位置在跑道上的投影所在区间进行判断；
判断方法为：分别计算飞机当前位置距离每个跑道区间两端点的距离之和，距离和最短的跑道区间则为飞机位置所处跑道区间P(i)P(j)段；
步骤3、计算飞机当前位置的离地高度计算为：飞机在跑道上的投影位于P(i)P(j)段，且飞机运动方向由P(i)至P(j)，飞机当前位置投影点的海拔高度：
飞机进入跑道后的离地高度：
其中，
为飞机当前位置投影点的海拔高度；L为飞机进入当前跑道区间的距离；Lij为P(i)与P(j)之间的距离；Hi为i点海拔高度；Hj为j点海拔高度，H飞机当前的海拔高度。
2.根据权利要求1所述无人机着陆阶段离地高度计算方法，其特征在于：所述跑道中线特征点i≤n-1。
3.一种实现权利要求1或2所述无人机着陆阶段离地高度计算方法的系统，其特征在于包括卫星定位系统、地面站、飞控计算机、机载传感器和离地高度解算模块；所述卫星定位系统、离地高度解算模块、飞控计算机和机载传感器安装在无人机上；卫星定位系统测量无人机的位置信息，将位置信息输出至离地高度解算模块；地面站将飞机置于跑道的位置信息录入并上传至离地高度解算模块；离地高度解算模块根据接收无人机的位置信息和飞机置于跑道的位置信息后，实时解算出飞机的离地高度输出至飞控机飞行控制模块；飞行控制模块接收离地高度解算模块实时解算飞机的离地高度，并解算各个操纵舵面和油门的控制量，驱动飞机按照期望航迹进近、着陆；所述位置信息包括经度、纬度和高度。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：若飞机未配备无线电高度表，则解算高度作为离地高度主信号，若飞机已配备无线电高度表，则解算高度作为离地高度备份信号，在无线电高度表故障时使用。
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