一种无人机在卫星导航数据失效后的安全飞行控制方法与流程

文档序号：17738959发布日期：2019-05-22 03:32阅读：495来源：国知局

本发明涉及无人机的飞行控制技术领域，尤其涉及一种无人机在卫星导航数据失效后的安全飞行控制方法。

背景技术：

无人机在程序飞行控制中，飞行控制器已存放了程控飞行的航路点坐标，航路点之间的连线即为预设航路，程控飞行即是通过比较无人机的实时位置与航路的偏差控制并修正无人机，保持无人机的飞行轨迹与预设航路一致。无人机的实时位置坐标(也称位置定位导航信息)通常是由卫星定位接收机提供，因此，程序控制中卫星定位导航数据至关重要，如果卫星定位导航数据失效，必然使无人机无法按照程序飞行，而且出现地面人员无法得知无人机的具体位置，从而会导致无人机的丢失，发生飞行事故。在实际工作中，无人机经常受到来自地理环境以及周边电磁环境的影响，而出现卫星定位接收机gps定位失效的情况，如何保证这种情况下无人机飞行安全成为重要课题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无人机在卫星导航数据失效后的安全飞行控制方法，能够保证卫星导航数据失效后，无人机仍然可以安全返回地面操控点附近开伞回收。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种无人机在卫星导航数据失效后的安全飞行控制方法，包括：

在无人机的机载飞行控制器中存储预设航线和地面操控点的位置坐标(x0，y0)；无人机在飞行过程中实时接收卫星定位数据，如果在t秒内连续没有收到卫星定位数据，则认为卫星定位数据失效；

查找无人机接收到的最后一组卫星定位数据(xm，ym)，利用无人机在最后一组卫星定位数据时刻的航向角ψ、倾斜角γ和飞行速度v，推算无人机t秒后的位置坐标(xn，yn)，将(xn，yn)与(x0，y0)连接形成新的定向航线l，计算定向航线l的航向角ψm，使无人机按照航向角ψm向地面操控点定向飞行。

推算无人机t秒后的位置坐标(xn，yn)时，包括以下步骤：

(1)计算无人机从(xm，ym)飞向(xn，yn)时的转弯半径r：

r＝v²/(gtan(γ))；

式中g为重力加速度，g＝9.8米/秒；

(2)计算无人机从(xm，ym)飞向(xn，yn)时转弯圆的圆心坐标(x’，y’)：纬度ym处的地球半径ecm为

ecm＝r两极+(r赤道－r两极)×(90－ym)/90；

式中r赤道为地球赤道半径，r两极为地球两极半径，r赤道＝6378137m，r两极＝6356725m；

纬度ym处的纬线圈半径edm为

edm＝ecm×cos(ym×π/180)；

(xm，ym)和(x’，y’)两点间经度方向上的距离差dxm为

dxm＝r×1000×sin(αm×π/180)；

式中αm为(xm，ym)和(x’，y’)的连线与正北方向夹角，若ψ朝左为逆时针，则αm＝ψ－90°，若ψ朝右为顺时针，则αm＝ψ+90°；

(xm，ym)和(x’，y’)两点间纬度方向上的距离差dym为

dym＝r×1000×cos(αm×π/180)；

转弯圆的圆心经度x’为

x’＝(dxm/edm+xm×π/180)×180/π；

转弯圆的圆心纬度y’为

y’＝(dym/ecm+ym×π/180)×180/π；

(3)计算(xm，ym)和(x’，y’)的连线与(xn，yn)和(x’，y’)的连线之间的夹角β：

β＝5v/r×180/π；

(4)计算无人机位置递推点的坐标(xn，yn)：

纬度y’处的地球半径ec’为

ec’＝r两极+(r赤道－r两极)×(90－y’)/90；

纬度y’处的纬线圈半径ed’为

ed’＝ec’×cos(y’×π/180)；

(x’，y’)和(xn，yn)两点间经度方向上的距离差dx’为

dx’＝r×1000×sin(α’×π/180)；

式中α’为(x’，y’)和(xn，yn)的连线与正北方向夹角，若ψ朝左为逆时针，则α’＝ψ－90°+β，若ψ朝右为顺时针，则α’＝ψ+90°－β；

(x’，y’)和(xn，yn)两点间纬度方向上的距离差dy’为

dy’＝r×1000×cos(α’×π/180)；

位置递推点的经度xn为

xn＝(dx’/ed’+x’×π/180)×180/π；

位置递推点的纬度yn为

yn＝(dy’/ec’+y’×π/180)×180/π。

所述无人机在飞行过程中采用两组卫星定位接收机分别接收卫星定位数据，如果在t秒内两个卫星定位接收机均连续没有收到卫星定位数据，则认为卫星定位数据失效。

所述t值为5秒。

本发明在判定卫星定位失效后，根据无人机接收的最后一组位置坐标，以及当时无人机自身的航向角ψ、倾斜角γ和飞行速度v，推算数秒后无人机的位置，进而控制无人向地面操控点定向飞行，有效提高了无人机飞行的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明控制无人机在定位失效后安全返回的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得其他所有实施例，都在本发明的保护范围之内。

在无人机飞行前，将规划的预设路线以及地面操控点的位置坐标(x0，y0)发送并存放至无人机的机载飞行控制器中。

无人机上装载有垂直陀螺仪(或惯性导航姿态测量仪)测量无人机的俯仰角θ、倾斜角γ；高度传感器(一般是气压高度传感器)测量无人机的飞行高度h；航向传感器(一般是磁罗盘航向传感器)测量无人机的机头指向即航向角ψ；速度传感器测量无人机的飞行速度v；gps卫星定位接收机输出无人机的实时位置。

无人机在飞行过程中实时接收卫星定位数据，其中，gps卫星定位接收机的接收频率一般是4～10hz，即每秒更新4～10次位置信息。为增加可靠性，可采用两个gps卫星定位接收机分别独立接收无人机的卫星定位数据。无人机的机载飞行控制器实时监控gps卫星定位接收机送来的定位更新数据，如果在t秒内两个卫星定位接收机均连续没有收到卫星定位数据，则认为卫星定位数据失效，t值可取5秒。

如图1所示，控制无人机在定位失效后安全返回时，首先查找无人机接收到的最后一组卫星定位数据(xm，ym)，利用无人机在最后一组卫星定位数据时刻的航向角ψ、倾斜角γ和飞行速度v，推算无人机t秒后的位置信息(xn，yn)，将(xn，yn)与(x0，y0)连接形成新的定向航线l，计算定向航线l的航向角ψm，则无人机进入定向飞行控制模态，按照航向角ψm向地面操控点定向飞行。

尽管地面操控点无法显示无人机的位置，即无法得知无人机的具体位置，但可以通过航向角显示窗口观察无人机的航向角是否朝着ψm的方向飞行，如果无人机的航向角是朝着ψm方向飞行，此时卫星失效控制程序正在执行。地面操控点人员随后可以看见或听见无人机逐渐朝操控点飞过来，当地面人员观察并发现无人机后，则可以转遥控飞行模态，遥控无人机安全回收。

具体的，根据无人机的最后一组卫星定位数据(xm，ym)，推算无人机t秒后的位置信息(xn，,yn)，包括以下步骤：