[發明專利]一種滑翔式無人機自主進場航路規劃方法

有效

• 申請號: 201310074696.8
• 申請日: 2013-03-08
• 公開（公告）號: CN103176476A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發明（設計）人: 王宏倫;呂文濤;鄭麗麗;向錦武
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 趙文利

技術領域

本發明涉及一種滑翔式無人機自主進場航路規劃方法，屬于無人機導航制導與控制技術領域。

背景技術

滑翔機是一種沒有動力裝置，重于空氣的固定翼航空器。滑翔機在下滑飛行中依靠自身重力的分量獲得前進動力，這種損失高度的無動力下滑飛行稱滑翔。滑翔中前進的距離與下沉的高度之比叫做滑翔比，滑翔比是衡量滑翔性能優劣的一個重要指標。由滑翔飛行的平衡關系可知，滑翔比與升阻比相等。目前，高級滑翔機的升阻比最高已超過50，即在無風條件下，滑翔機每下降1米的高度就可在水平方向上滑翔50米的距離。

滑翔式無人機的進場著陸方式通常可分為傘降和滑降兩種。傘降方式是指無人機滑翔到達預定著陸場上空的一定高度后自動或遙控打開降落傘著陸。滑降方式指無人機滑翔到達著陸場后，調整無人機的航向和高度，使得無人機進入設定的著陸窗口，之后控制無人機沿給定的下滑曲線下滑并在跑道上著陸。可見，無論是傘降還是滑降，都需要無人機在著陸前調整好高度和航向，即進入下滑窗口，然后通過開傘或下滑實現安全著陸。

滑翔式無人機在進場時通常需要使飛機保持在最大滑翔比速度飛行，這樣可以以損失最小的高度來保證最大的飛行距離。由于無人機每次在滑翔進場時其飛行狀態（飛行高度、進場方向、相對機場的位置）各不一樣，且進場過程中還會受到風干擾等不確定因素的影響，無人機到達設定著陸窗口附近的高度、航向及狀態差別很大，導致無法有效地進入設定的著陸窗口，給安全著陸帶來隱患。

發明內容

本發明的目的是為了提高滑翔式無人機的實時航路規劃能力，提出一種自主進場航路規劃方法，通過規劃一條包含切線段、圓弧段和“8”字形盤旋段三部分的航線，使無人機能夠以設定的著陸窗口高度到達著陸窗口，保證著陸安全。

一種滑翔式無人機自主進場航路規劃方法，包括以下幾個步驟：

步驟一：確定無人機進場方向；

著陸場左右兩邊各有一個著陸窗口，分別設為O′和O，根據無人機當前的位置，判斷無人機位于著陸場中心線的左側還是右側，若在左側，則無人機朝左邊的著陸窗口O′方向進場，若在右側，則無人機朝右邊的著陸窗口O方向進場；

步驟二：初步規劃進場航線；

初步規劃的進場航線由切線段、圓弧段、第一個‘8’字形盤旋段和其他‘8’字形盤旋段三部分組成，圓弧段的起點與切線段相連，終點為著陸窗口，‘8’字形盤旋段為中心對稱結構，對稱中心為著陸窗口，圓弧段與第一個‘8’字形盤旋段中上面圓形的圓弧重合，切線段與第一個‘8’字形盤旋段上面圓形相切；

無人機按照切線段、圓弧段、第一個‘8’字形盤旋段、‘8’字形盤旋段依次飛行，飛行第一個‘8’字形盤旋段后，繼續通過‘8’字形盤旋段調整航向和高度；

‘8’字形盤旋段的半徑R和圈數n由以下方程求得：

L＝d+s+2πR·n

其中：v為無人機的水平方向速度，v_r為無人機的下降速率，h_r為無人機當前高度與期望著陸窗口高度之差，t_g為無人機從當前高度到著陸窗口的待飛時間，L為無人機從當前高度到著陸窗口飛行長度，d為切線段的長度，s為圓弧段的長度，R的最小值取決于無人機的最小轉彎半徑r，最大值為r的5倍，n為整數；

步驟三：控制無人機沿航線飛行；

控制無人機以最大升阻比速度沿著初步規劃的進場航線飛行；

步驟四：判斷是否進入著陸窗口高度的范圍；

當無人到達期望的著陸航向時，根據機載高度傳感器的數據，判斷無人機當前的高度與期望的著陸窗口高度之差|A|是否符合，如果不滿足，進入步驟五，調整盤旋段半徑和圈數；如果滿足，則無人機已進入期望的著陸窗口，轉入步驟六；

步驟五：調整盤旋半徑和圈數；

根據無人機當前高度與期望的著陸窗口高度之差h_r、前一分鐘的平均下降速率v_r，以及無人機水平方向速度v，按照公式調整“8”字形盤旋段的半徑和圈數，無人機按照調整后的半徑和圈數，繼續“8”字形盤旋飛行，之后進入步驟四；

步驟六：控制無人機著陸；

無人機退出“8”字形盤旋，按照設定的著陸方式，沿期望的航向下滑著陸或傘降著陸。

本發明的優點在于：

（1）運用本方法規劃的航路，可以保證無人機以設定的著陸窗口高度到達著陸窗口，為后續的著陸提供了安全保證；

（2）無人機按“8”字形盤旋飛行，可以減小無人機機載慣導系統的誤差漂移，提高無人機導航信息的可靠性，進一步保證了無人機的安全著陸；