专利名称：一种无人机的纵向着陆轨迹的设计方法
技术领域：
本发明属于飞行控制领域，具体涉及一种无人机的纵向着陆轨迹的设计方法。
背景技术：
由于低成本、高性能的优势，无人机在军事及民用之中被广泛应用。据无人机事故统计，无人机在着陆阶段最容易发生事故，自动着陆是关系到无人机能否安全回收的关键技术。轮式起降无人机着陆过程可以划分为下滑阶段与拉平阶段，下滑阶段要求无人机以特定的空速沿着固定的航迹角所确定的轨迹下滑，当无人机下降至拉平起点高度时，要求无人机的下降速度逐渐减小至允许的接地下降速度以防止无人机以过大的下降速度撞击地面，同时俯仰角逐渐增加到允许的接地俯仰角，保证主轮先于前轮接地又不引起机尾触地。着陆过程要求无人机能够在外界干扰下按照着陆轨迹预先规划的状态指令进行平稳转换，实现安全接地。自动着陆包含着陆轨迹与着陆控制两个关键部分。着陆轨迹通过确定从下滑起点到理想接地点的状态指令实现对无人机的引导。着陆控制通过闭环控制算法保证无人机在外界干扰的情况下沿着着陆轨迹安全接地。可见，着陆的安全性及着陆精度很大程度上依赖于着陆轨迹的引导。着陆轨迹如果设计不合理将可能引导无人机以不安全的俯仰角或者升降速度接地，影响飞机的安全。传统着陆轨迹由下滑及拉平两个不同阶段的轨迹组成。下滑阶段着陆轨迹包含高度指令及空速指令。其中，高度轨迹根据下滑阶段的航迹角设计，空速指令通过下滑阶段的仿真确定。拉平阶段包含下降速度指令及空速指令。下降速度与无人机当前的高度成线性关系，空速指令随着高度减小由下滑阶段空速线性减小至接地空速。传统的着陆轨迹只给出高度(或下降速度)与空速指令，往往不给出俯仰角、迎角及升降舵、油门的信息，控制律设计人员难以把握无人机的安全裕度及升降舵的操纵裕度，着陆轨迹的设计过程中需要经验试凑，设计繁琐，依赖于丰富的经验。拉平阶段的升降速度与空速指令是高度的线性函数，由于外界干扰及升降速度闭环控制存在的误差，容易引起高度偏差影响升降速度指令， 从而导致无人机实际接地点远离理想接地点，同时可能引起无人机俯仰角超出安全范围， 引起飞机事故。许多先进的无人机着陆控制算法对高度、空速控制的同时，往往兼顾下降速度和俯仰角，保证无人机按照确定的状态基准平稳着陆，而传统的着陆轨迹及其设计方法无法满足要求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种无人机的纵向着陆轨迹的设计方法，采用非线性规划方法获取下滑阶段的着陆轨迹，提高了迎角的安全裕度与升降舵的操纵裕度，且着陆轨迹由高度指令、空速指令、下降速度指令及俯仰角指令组成，适用于兼顾无人机轨迹、下降速度及俯仰角的着陆控制算法，便于引导无人机的精确、安全的着陆。着陆轨迹设计方法中得到迎角、航迹角、升降舵偏转角及油门开度平衡值，便于全面的分析着陆性能。陆轨迹中的指令是无人机距离理想接地点的待飞距离的函数，避免了高度控制误差所引起的无人机着陆精度及安全性的问题，通过高效的运算来代替传统的经验试凑，提高了着陆轨迹的合理性和设计效率。—种无人机的纵向着陆轨迹的设计方法，其特征在于具体包括以下几个步骤步骤一根据无人机的运动学关系建立无人机着陆稳定状态的平衡方程组根据无人机着陆状态的受力关系，其受到升力、阻力、自身重力和推力，由于着陆稳定状态下无人机沿空速方向与垂直于空速方向的加速度均为Om/s2，建立着陆稳定状态的平衡方程组
权利要求
1. 一种无人机的纵向着陆轨迹的设计方法，其特征在于具体包括以下几个步骤 步骤一根据无人机的运动学关系建立无人机着陆稳定状态的平衡方程组 根据无人机着陆状态的受力关系，其受到升力、阻力、自身重力和推力，由于着陆稳定状态下无人机沿空速方向与垂直于空速方向的加速度均为Om/s2，建立着陆稳定状态的平衡方程组
2.根据权利要求1所述的一种无人机的纵向着陆轨迹的设计方法，其特征在于所述的步骤二(1)中下滑阶段的航迹角、的取值为-3° -6°。
3.根据权利要求1所述的一种无人机的纵向着陆轨迹的设计方法，其特征在于所述的步骤二 O)中迎角偏差的权限系数Ka的取值为0.2 SKa <4.0，根据无人机对于迎角的安全裕度与升降舵的操纵裕度的侧重程度选取。
4.根据权利要求1所述的一种无人机的纵向着陆轨迹的设计方法，其特征在于所述的步骤三(1)中拉平起点高度H1的取值为15m 30m。
5.根据权利要求1所述的一种无人机的纵向着陆轨迹的设计方法，其特征在于所述的步骤三中拉平阶段的空速指令由五阶以内的多项式进行拟合的要求为拟合之后得到的残差的模r满足r彡0. 0005Vkln，其中，Vkl为下滑空速，η为拉平起点的待飞距离队的分段的数目，以第k，(k=l，2，…，n-l，n)个待飞距离Rlk，(k = 1,2,…，η_1，η)组成的序列为自变量，以稳定状态的空速Glk , (k= 1，2，…，n-l，n)组成的序列为因变量，采用多项式函数进行拟合，m表示用于空速指令拟合的多项式的阶次，多项式的阶次由m=l逐渐增加， 直到满足拟合之后得到的残差的模r满足r < 0. 0005Vkln。
全文摘要
本发明提出一种无人机的纵向着陆轨迹的设计方法，属于飞行控制领域，包括步骤一根据无人机的运动学关系建立无人机着陆稳定状态的平衡方程组；步骤二采用非线性规划方法设计无人机下滑阶段的纵向着陆轨迹；步骤三设计拉平阶段指数形式的高度轨迹，根据所设计的拉平阶段俯仰角指令及航迹角配平值，求解非线性方程获得无人机拉平阶段纵向着陆轨迹；步骤四综合下滑阶段及拉平阶段的着陆轨迹，得到无人机整体的纵向着陆轨迹。本发明提高了迎角的安全裕度与升降舵的操纵裕度，便于引导无人机的精确、安全的着陆，适用于兼顾高度、俯仰角及下降速度的着陆控制算法并全面的分析着陆性能，采用数学软件高效设计避免传统的经验试凑。
文档编号B64F5/00GK102390543SQ20111024236
公开日2012年3月28日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者刘智, 王勇 申请人:北京航空航天大学