一种HTAWS系统告警后直升机预测规避轨迹生成方法与流程

本发明属于机体运动建模技术领域，具体涉及一种htaws系统告警后直升机预测规避轨迹生成方法。

背景技术

直升机地形感知与告警系统(htaws)是直升机机载电子系统中重要的组成部分，是主要的一个提供防撞报警的设备，该系统有两个核心部分，分别是告警阈值曲线、前视预警算法。htaws接收直升机的多项参数作为输入信号，将信号输入告警计算机进行处理。当htaws计算出直升机处于危险环境时，系统就会给机组人员提供视觉和听觉信息告警，驾驶员采取措施直至使直升机脱离不安全状态时信号终止。

准确预测告警后直升机的规避轨迹是影响htaws性能的重要因素。目前，固定翼飞机近地告警系统(gpws)和地形告警系统(taws)通过一些特定的假设，利用椭圆恢复的通用算法来设计规避轨迹。但这些假设对于直升机并不适用，即使是最好的椭圆曲线拟合和记录的数据也没有一致性。随后出现的抛物线型规避轨迹也并不能很好地预测轨迹。

技术实现要素：

本发明公开了一种通过六自由度模型建立的htaws系统告警后直升机预测规避轨迹生成方法，其目的在于当直升机htaws系统发生告警后为直升机提供一种准确可靠的规避轨迹方法。

本发明htaws系统告警后直升机预测规避轨迹生成方法，主要包括：

步骤1、建立htaws系统告警后飞行员反应延迟阶段直升机运动的第一轨迹；

步骤2、通过建立直升机六自由度模型，得到直升机拉升逃逸阶段的第二轨迹；

步骤3、建立直升机拉升逃逸结束后稳定保持阶段的第三轨迹；

步骤4、连接上述第一轨迹、第二轨迹及第三轨迹，生成时间t内直升机预测规避轨迹。

优选的是，所述步骤1中，建立所述第一轨迹进一步包括：

步骤11、获取直升机在htaws系统告警时的海拔高度h0、水平位置l0、水平速度vl及垂直速度vh；

步骤12、获取直升机飞行员反应延迟时间tdelay；

步骤13、在延迟阶段外推的任意t时刻根据直升机的高度h1(t)和水平位置l1(t)构建所述第一轨迹，其中高度h1(t)＝h0-vh*t，水平位置l1(t)＝l0+vl*t，其中，t<tdelay。

优选的是，所述步骤2中，得到所述第二轨迹进一步包括：

步骤21、建立直升机六自由度模型，得到直升机在机体坐标系下三个轴的加速度分量；

步骤22、由机体-地面坐标系转换关系得到直升机在地面坐标系下三个轴的加速度分量；

步骤23、根据所述地面坐标系下三个轴的加速度分量得到直升机在地面坐标系下的任意时刻的位置信息，得到所述第二轨迹；

步骤24、根据所述第二轨迹，获取tpull时间段后直升机所经过的水平距离l2以及垂直高度h2、垂直速度vh2。

优选的是，所述步骤21中，获得直升机在机体坐标系下三个轴的加速度分量包括：

步骤211、只考虑直升机在竖直平面的位移，获得直升机在机体坐标系下三个轴的重力加速度分量；

步骤212、只考虑垂直平面上的运动，对上述三个轴的重力加速度分量中的z轴进行修正，所述修正包括采用直升机在z轴方向的过载来修正z轴的加速度分量。

优选的是，所述步骤3进一步包括：

步骤31、确定所述稳定保持阶段的时间t，

步骤32、确定稳定保持阶段经过的高度和水平位置为：

h3(t)＝h2+vh2*t

l(t)＝l0+l1+l2

其中，l1为步骤一中根据所述第一轨迹获得的直升机在延迟阶段的水平飞行距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明目的在于提供一种通过六自由度模型建立的htaws系统告警后直升机预测规避轨迹生成方法，与实际飞行数据更加吻合，规避轨迹更加准确可靠。

(2)本发明创造可应用于直升机低空防撞规避领域。

附图说明

图1为按照本发明htaws系统告警后直升机预测规避轨迹生成方法的一优选实施例的规避轨迹示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

本发明htaws系统告警后直升机预测规避轨迹生成方法，主要包括：

步骤1、建立htaws系统告警后飞行员反应延迟阶段直升机运动的第一轨迹；

步骤2、通过建立直升机六自由度模型，得到直升机拉升逃逸阶段的第二轨迹；

步骤3、建立直升机拉升逃逸结束后稳定保持阶段的第三轨迹；

步骤4、连接上述第一轨迹、第二轨迹及第三轨迹，生成时间t内直升机预测规避轨迹。

如图1所示，为直升机正常/规避轨迹对比示意图，该实施例中，假设直升机初始高度h0为1000英尺，时间t为20s。根据步骤1至步骤4得直升机规避轨迹示意图，通过对延迟阶段、拉升阶段及保持阶段三个直升机飞行阶段分别构建轨迹，合并得到总的规避轨迹。

本实施例所述步骤1中，建立所述第一轨迹进一步包括：

步骤11、获取直升机在htaws系统告警时的海拔高度h0、水平位置l0、水平速度vl及垂直速度vh；

步骤12、获取直升机飞行员反应延迟时间tdelay；

步骤13、在延迟阶段外推的任意t时刻根据直升机的高度h1(t)和水平位置l1(t)构建所述第一轨迹，其中高度h1(t)＝h0-vh*t(1)，水平位置l1(t)＝l0+vl*t(2)，其中，t<tdelay。可以理解的是，直升机飞行员反应延迟时间tdelay服从gamma(4,1)分布，t∈(0，tdelay)。

需要说明的是，步骤一在通过任意t时刻的高度及水平位置公式获得了第一轨迹，并且由tdelay，可以进一步得到直升机在延迟阶段的垂直飞行距离，以及水平飞行距离l1(步骤3中会用到)。同时，可以得到直升机在延迟阶段结束后的垂直于水平位置信息(作为步骤2的起始位置信息参与计算)。

本实施例所述步骤2中，得到所述第二轨迹进一步包括：

步骤21、建立直升机六自由度模型，得到直升机在机体坐标系下三个轴的加速度分量；

步骤22、由机体-地面坐标系转换关系得到直升机在地面坐标系下三个轴的加速度分量；

步骤23、根据所述地面坐标系下三个轴的加速度分量得到直升机在地面坐标系下的任意时刻的位置信息，得到所述第二轨迹；

步骤24、根据所述第二轨迹，获取tpull时间段后直升机所经过的水平距离l2以及垂直高度h2、垂直速度vh2。

需要说明的是，延迟阶段过后，飞行员拉起直升机，由于研究只考虑直升机纵向的运动，故简化直升机的滚转角和偏航角，设其为0。

在步骤21中，获得直升机在机体坐标系下三个轴的加速度分量包括：

步骤211、只考虑直升机在竖直平面的位移，获得直升机在机体坐标系下三个轴的重力加速度分量；

步骤212、只考虑垂直平面上的运动，对上述三个轴的重力加速度分量中的z轴进行修正，所述修正包括采用直升机在z轴方向的过载来修正z轴的加速度分量。

步骤211中，根据当前直升机在机体坐标系下三个角速度分量得到任意时刻直升机在机体坐标系下三个角速度分量(包括绕x、y、z轴的角速度p、q、r，其中，i为当前时刻，i-1为间隔δt的上一时刻)：

由于模型的需要，规避轨迹设定在竖直平面内，只考虑的影响，即有：

pi＝pi-1(6)

ri＝ri-1(8)

一旦角速度q达到预定最大值则置为0。由上式可得三个欧拉角速度即滚转角速度、俯仰角速度和偏航角速度：

由于规避轨迹只考虑竖直平面的位移，将ri设为0，公式简化为：

由上式可得三个欧拉角，即滚转角、俯仰角和偏航角：

直升机在机体坐标系下三个轴的重力加速度分量为：

agx(i)＝-gsinθi(18)

agy(i)＝-gcosθisinφi(19)

agz(i)＝-gcosθicosφi(20)

步骤212中，不考虑阻力的影响，只考虑垂直平面上的运动。直升机在z轴方向的过载：

由此，z轴加速度被修正为：

直升机在机体坐标系下三个轴的分量：

ax(i)＝-gsinθi(23)

ay(i)＝-gcosθisinφi(24)

所述步骤22中，由机体-地面坐标系转换关系得到直升机在地面坐标系下三个轴的加速度分量包括：

获得机体坐标系到地面坐标系的转换矩阵ldb：

由机体坐标系到地面坐标系的转换矩阵得到直升机在地面坐标系下三个轴的加速度分量：

之后，通过地面坐标系下的加速度分量得到直升机在地面坐标系下的位置信息；

xi＝xi-1+vn(i)δt

yi＝yi-1+ve(i)δt

zi＝zi-1+vd(i)δt。

步骤3中，稳定保持阶段，直升机以拉升阶段退出时的航迹角匀速爬升，稳定保持阶段时间：

t＝t-tpull-tdelay

稳定保持阶段的高度及水平位置信息为：

h3(t)＝h2+vh2*t

l(t)＝l0+l1+l2

其中，l1为步骤一中根据所述第一轨迹获得的直升机在延迟阶段的水平飞行距离。综合反应延迟、拉升逃逸和稳定保持三个阶段的信息，画出直升机规避轨迹示意图如图1所示。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明目的在于提供一种通过六自由度模型建立的htaws系统告警后直升机预测规避轨迹生成方法，与实际飞行数据更加吻合，规避轨迹更加准确可靠。

(2)本发明创造可应用于直升机低空防撞规避领域。

本发明中的方法能够得到合理有效的直升机规避轨迹，实验证明该方法得到的轨迹也与大量飞行数据相吻合。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。