专利名称：一种滑翔式无人机自主进场航路规划方法
技术领域：
本发明涉及一种滑翔式无人机自主进场航路规划方法，属于无人机导航制导与控制技术领域。
背景技术：
滑翔机是一种没有动力装置，重于空气的固定翼航空器。滑翔机在下滑飞行中依靠自身重力的分量获得前进动力，这种损失高度的无动力下滑飞行称滑翔。滑翔中前进的距离与下沉的高度之比叫做滑翔比，滑翔比是衡量滑翔性能优劣的一个重要指标。由滑翔飞行的平衡关系可知，滑翔比与升阻比相等。目前，高级滑翔机的升阻比最高已超过50，SP在无风条件下，滑翔机每下降I米的高度就可在水平方向上滑翔50米的距离。滑翔式无人机的进场着陆方式通常可分为伞降和滑降两种。伞降方式是指无人机滑翔到达预定着陆场上空的一定高度后自动或遥控打开降落伞着陆。滑降方式指无人机滑翔到达着陆场后，调整无人机的航向和高度，使得无人机进入设定的着陆窗口，之后控制无人机沿给定的下滑曲线下滑并在跑道上着陆。可见，无论是伞降还是滑降，都需要无人机在着陆前调整好高度和航向，即进入下滑窗口，然后通过开伞或下滑实现安全着陆。滑翔式无人机在进场时通常需要使飞机保持在最大滑翔比速度飞行，这样可以以损失最小的高度来保证最大的飞行距离。由于无人机每次在滑翔进场时其飞行状态(飞行高度、进场方向、相对机场的位置)各不一样，且进场过程中还会受到风干扰等不确定因素的影响，无人机到达设定着陆窗口附近的高度、航向及状态差别很大，导致无法有效地进入设定的着陆窗口，给安全着陆带来隐患。
发明内容
本发明的目的是为了提高滑翔式无人机的实时航路规划能力，提出一种自主进场航路规划方法，通过规划一条包含切线段、圆弧段和“8”字形盘旋段三部分的航线，使无人机能够以设定的着陆窗口高度到达着陆窗口，保证着陆安全。一种滑翔式无人机自主进场航路规划方法，包括以下几个步骤:步骤一:确定无人机进场方向；着陆场左右两边各有一个着陆窗口，分别设为O'和0，根据无人机当前的位置，判断无人机位于着陆场中心线的左侧还是右侧，若在左侧，则无人机朝左边的着陆窗口 O'方向进场，若在右侧，贝1J无人机朝右边的着陆窗口 O方向进场；步骤二:初步规划进场航线；初步规划的进场航线由切线段、圆弧段、第一个‘8’字形盘旋段和其他‘8’字形盘旋段三部分组成，圆弧段的起点与切线段相连，终点为着陆窗口，‘8’字形盘旋段为中心对称结构，对称中心为着陆窗口，圆弧段与第一个‘8’字形盘旋段中上面圆形的圆弧重合，切线段与第一个‘8’字形盘旋段上面圆形相切；无人机按照切线段、圆弧段、第一个‘8’字形盘旋段、‘8’字形盘旋段依次飞行，飞行第一个‘8’字形盘旋段后，继续通过‘8’字形盘旋段调整航向和高度；‘8’字形盘旋段的半径R和圈数η由以下方程求得:L = d+s+2 Ji R.η其中:
权利要求
1.一种滑翔式无人机自主进场航路规划方法，包括以下几个步骤: 步骤一:确定无人机进场方向； 着陆场左右两边各有一个着陆窗口，分别设为O'和O，根据无人机当前的位置，判断无人机位于着陆场中心线的左侧还是右侧，若在左侧，则无人机朝左边的着陆窗口 O'方向进场，若在右侧，则无人机朝右边的着陆窗口 O方向进场； 步骤二:初步规划进场航线； 初步规划的进场航线由切线段、圆弧段、第一个‘8’字形盘旋段和其他‘8’字形盘旋段三部分组成，圆弧段的起点与切线段相连，终点为着陆窗口，‘8’字形盘旋段为中心对称结构，对称中心为着陆窗口，圆弧段与第一个‘8’字形盘旋段中上面圆形的圆弧重合，切线段与第一个‘8’字形盘旋段上面圆形相切； 无人机按照切线段、圆弧段、第一个‘8’字形盘旋段、‘8’字形盘旋段依次飞行，飞行第一个‘8’字形盘旋段后，继续通过‘8’字形盘旋段调整航向和高度； ‘8’字形盘旋段的半径R和圈数η由以下方程求得: L = d+s+2 Ji R.η ..其中:L = Vl,, =—^, ν为无人机的水平方向速度为无人机的下降速率，为无人机当前高度与期望着陆窗口高度之差，tg为无人机从当前高度到着陆窗口的待飞时间，L为无人机从当前高度到着陆窗口飞行长度，d为切线段的长度，s为圆弧段的长度，R的最小值取决于无人机的最小转弯半径r,最大值为r的5倍，η为整数； 步骤三:控制无人机沿航线飞行； 控制无人机以最大升阻比速度沿着初步规划的进场航线飞行； 步骤四:判断是否进入着陆窗口高度的范围； 当无人到达期望的着陆航向时，根据机载高度传感器的数据，判断无人机当前的高度与期望的着陆窗口高度之差|Α|是否符合，如果不满足，进入步骤五，调整盘旋段半径和圈数；如果满足，则无人机已进入期望的着陆窗口，转入步骤六； 步骤五:调整盘旋半径和圈数； 根据无人机当前高度与期望的着陆窗口高度之差匕、前一分钟的平均下降速率以 vh及无人机水平方向速度V，按照公式」1 = 2^."，调整“8”字形盘旋段的半径和圈数，无人 K机按照调整后的半径和圈数，继续“8”字形盘旋飞行，之后进入步骤四； 步骤六:控制无人机着陆； 无人机退出“8”字形盘旋，按照设定的着陆方式，沿期望的航向下滑着陆或伞降着陆。
2.根据权利要求1所述的一种滑翔式无人机自主进场航路规划方法，|a|<20米。
全文摘要
本发明公开了一种滑翔式无人机自主进场航路规划方法，该方法以最佳滑翔方式进入着陆区域，以可变半径‘8’字形盘旋方式降低高度并调整航向，使得无人机下降到设定着陆窗口高度时，能够同时满足设定着陆航向的要求。首先根据无人机当前的位置和航程约束，初步规划一条由切线段、圆弧段和‘8’字形盘旋段组成的航线，并控制无人机沿该航线飞行，之后当无人机到达设定的着陆方向时，根据无人机当前的高度和设定的着陆窗口高度之差，动态调整盘旋段的半径和圈数，使无人机在到达设定着陆高度范围内时，满足着陆航向要求。运用本发明进行航路规划实现自主进场，可以不受天气、天候以及风干扰等客观条件的影响，具有广泛的实用性。
文档编号G05D1/10GK103176476SQ20131007469
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月8日 优先权日2013年3月8日
发明者王宏伦, 吕文涛, 郑丽丽, 向锦武 申请人:北京航空航天大学