一种适用于双模回收的无人机航线自动生成方法与流程

本发明涉及无人机航线规划领域，尤其是一种无人机航线的自动生成方法。

背景技术：

随着无人机相关技术的发展，根据无人机自身特性，回收方式也趋于多样化。相比于起飞，无人机回收是一个更为复杂和容易出现故障的阶段，能否安全着陆已经成为了评价无人机性能的一项重要指标。目前无人机的回收方式主要有滑轮着陆、伞降回收、撞网回收、绳钩回收等。将其中两种回收模式应用到一种无人机中是无人机回收的发展趋势。

同一种无人机既可以绳钩回收又可以滑轮着陆回收，可根据天气、场地、空间等条件灵活地选择回收模式，极大地提高了无人机着陆的安全性。当无人机执行完任务准备返航时，操纵员根据当时的条件选择绳钩或滑轮着陆的一种进行手动规划回收航线，费时费力且精确度不高。为降低无人机操作手的工作负荷，提高工作效率和可靠性，迫切的需要研究一种适用于绳钩和跑道双模回收的无人机航线自动生成方法，而目前未见相关的双模回收航线自动生成方法。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种适用于绳钩和跑道双模回收的无人机航线自动生成方法，根据跑道、绳钩回收车位置和方向信息以及窗口点和着陆点信息等自动生成绳钩回收和滑跑回收航线，引导无人机安全回收。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：

步骤1：获取无人机在跑道上的初始点s点的经纬度坐标(ls，bs)和差分gps高度hs，获取方向点d点的经纬度坐标(ld，bd)，方向点d点为无人机沿跑道滑行2至3公里所到达的位置，根据高斯坐标转换公式，将初始点经纬度坐标(ls，bs)，转换为平面直角坐标下的位置(xs，ys)，并将方向点经纬度坐标(ld，bd)，转换为平面直角坐标下的位置(xd，yd)，根据初始点和方向点的位置计算出跑道方向角α，即跑道与正北方向的夹角为：

步骤2：操作员输入滑跑回收时无人机的着陆点与初始点之间的距离dsl，根据高斯坐标转换公式，将初始点经纬度坐标(ls，bs)，转换为平面直角坐标下的位置(xs，ys)，用初始点位置(xs，ys)，距离dsl以及跑道方向角α计算出着陆点l点位置(xl，yl)为：

将着陆点位置(xl，yl)转换成经纬度坐标(ll，bl)；

步骤3：获取撞线点h点经纬度坐标(lh，bh)，方向点d点经纬度坐标(lvd，bvd)，其中撞线点为无人机撞线时绳钩回收车的位置，方向点为绳钩回收车沿着车头方向行驶1公里所到达的位置，根据高斯坐标转换公式，将撞线点经纬度坐标(lh，bh)，转换为平面直角坐标下的位置(xh，yh)，并将方向点经纬度坐标(lvd，bvd)，转换为平面直角坐标下的位置(xvd，yvd)，根据撞线点和方向点的位置计算出绳钩回收方向角β，方向角β为无人机撞线回收时的航线方向与正北方向的夹角，计算公式为：

操作员输入绳钩回收航线窗口点wc点至撞线点h点的水平距离d2toh，如图4所示)；

步骤4：系统指挥员根据场地、空间、飞机状态条件选择回收模式，若准备回收前机场跑道、飞机起落架准备就绪，则选择滑轮着陆，若回收空间有限或回收场地不允许着陆回收，则选择绳钩回收，若为滑轮着陆，则进入跑道回收航线自动规划流程，即进入步骤5；若为绳钩回收，则进入绳钩回收航线自动规划流程，即进入步骤6；

步骤5：若为跑道回收，则依据以下步骤进行：

步骤5.1：回收航线规划模块接受跑道回收参数：跑道方向角α，着陆点经纬度坐标(ll，bl)，跑道回收航线进入点sr点至窗口点wr点的距离d1to2，差分gps高度hs，将着陆点经纬度坐标(ll，bl)，转换为平面直角坐标下的位置(xl，yl)；

步骤5.2：跑道回收从正向和逆向两个方向进行，正向回收方向角α′＝α，逆向回收方向角α′＝α+π，可生成正向和逆向两条跑道回收航线；

步骤5.3：跑道回收航线为4个航点组成的折线，其中sr点为航线进入点，wr点为窗口点，l点为着陆点，c点为纠偏点，sr点和wr点相对跑道的高度均为h，依次生成4个航点的经纬度以及sr点和wr点的高度：

步骤5.3.1：计算sr点直角坐标位置：

将sr点直角坐标(xsr，ysr)转换成经纬度坐标(lsr，bsr)，sr点高度为：hsr＝hs+h；

步骤5.3.2：计算窗口点wr点的直角坐标位置：

将wr点直角坐标(xwr，ywr)转换成经纬度坐标(lwr，bwr)，wr点高度：hwr＝hs+h；

步骤5.3.3：着陆点l点的经纬度坐标为(ll，bl)；

步骤5.3.4：计算c点直角坐标位置：将c点直角坐标(xc，yc)转换成经纬度坐标(lc，bc)；

由此生成跑道回收航线；

步骤6：若为绳钩回收，则依据以下步骤进行：

步骤6.1：接受绳钩回收参数：撞线点h点经纬度坐标(lh，bh)，绳钩回收方向角β，绳钩回收航线窗口点wc点至撞线点h点的水平距离d2toh，差分gps高度hs，将撞线点经纬度坐标(lh，bh)，转换为平面直角坐标下的位置(xh，yh)；

步骤6.2：撞线回收从正向和逆向两个方向进行，正向回收方向角β′＝β，逆向回收方向角β′＝β+π，生成正向和逆向两条撞线回收航线；

步骤6.3：撞线回收航线为6个航点组成的折线，其中sc点为航线进入点，wc点为窗口点，无人机在wc与a1点之间撞线回收，若无人机没有成功撞线回收，则进入a1、a2、a3、a4点进行复飞调整，然后再进入sc点重新准备撞线回收；6个航点相对回收场地的高度均为h，依次生成6个航点的经纬度和高度；

步骤6.3.1：计算sc点直角坐标位置：

将sc点直角坐标(xsc，ysc)转换成经纬度坐标(lsc，bsc)；

步骤6.3.2：计算wc点直角坐标位置：

将wc点直角坐标(xwc，ywc)转换成经纬度坐标(lwc，bwc)；

步骤6.3.3：计算a1点直角坐标位置：

将a1点直角坐标(xa1，ya1)转换成经纬度坐标(la1，ba1)；

步骤6.3.4：计算a2点直角坐标位置：

将a2点直角坐标(xa2，ya2)转换成经纬度坐标(la2，ba2)；

步骤6.3.5：计算a3点直角坐标位置：

将a3点直角坐标(xa3，ya3)转换成经纬度坐标(la3，ba3)；

步骤6.3.6：计算a4点直角坐标位置：将a4点直角坐标(xa4，ya4)转换成经纬度坐标(la4，ba4)；

步骤6.3.7：6个航点的高度均为h＝hs+h；

由此生成绳钩回收航线。

本发明的有益效果在于本发明提出的跑道和绳钩双模回收航线自动生成方法，与之前的手动回收航线规划方式相比，由于利用了飞机或绳钩回收车在回收场地的位置信息从而计算出了需要的回收参数，不再需要人工进行估算，提高了回收航线的精确度以及无人机回收的安全性和可靠性；同时本发明在接受了回收场地参数后自动生成回收航线，免除了操作员在图上作业的不便，极大地提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明的跑道回收信息示意图。

图2为本发明的绳钩回收信息示意图。

图3为本发明的跑道回收自动生成航线侧视图。

图4为本发明的绳钩回收自动生成航线三维图。

图5为本发明的双模回收航线自动生成实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

步骤1：获取无人机在跑道上的初始点s点的经纬度坐标(ls，bs)和差分gps高度hs，获取方向点d点的经纬度坐标(ld，bd)，方向点d点为无人机沿跑道滑行2至3公里所到达的位置，根据高斯坐标转换公式，将初始点经纬度坐标(ls，bs)，转换为平面直角坐标下的位置(xs，ys)，并将方向点经纬度坐标(ld，bd)，转换为平面直角坐标下的位置(xd，yd)，如图1所示，根据初始点和方向点的位置计算出跑道方向角α，即跑道与正北方向的夹角为：

步骤2：操作员输入滑跑回收时无人机的着陆点与初始点之间的距离dsl，根据高斯坐标转换公式，将初始点经纬度坐标(ls，bs)，转换为平面直角坐标下的位置(xs，ys)，用初始点位置(xs，ys)，距离dsl以及跑道方向角α计算出着陆点l点位置(xl，yl)为：

将着陆点位置(xl，yl)转换成经纬度坐标(ll，bl)，如图2所示。

步骤3：获取撞线点h点经纬度坐标(lh，bh)，方向点d点经纬度坐标(lvd，bvd)，其中撞线点为无人机撞线时绳钩回收车的位置，方向点为绳钩回收车沿着车头方向行驶1公里所到达的位置，根据高斯坐标转换公式，将撞线点经纬度坐标(lh，bh)，转换为平面直角坐标下的位置(xh，yh)，并将方向点经纬度坐标(lvd，bvd)，转换为平面直角坐标下的位置(xvd，yvd)，根据撞线点和方向点的位置计算出绳钩回收方向角β，方向角β为无人机撞线回收时的航线方向与正北方向的夹角，计算公式为：

操作员输入绳钩回收航线窗口点wc点至撞线点h点的水平距离d2toh，如图4所示)；

步骤4：系统指挥员根据场地、空间、飞机状态条件选择回收模式，若准备回收前机场跑道、飞机起落架准备就绪，则选择滑轮着陆，若回收空间有限或回收场地不允许着陆回收，则选择绳钩回收，若为滑轮着陆，则进入跑道回收航线自动规划流程，即进入步骤5；若为绳钩回收，则进入绳钩回收航线自动规划流程，即进入步骤6；

步骤5：若为跑道回收，则依据以下步骤进行：

步骤5.1：回收航线规划模块接受跑道回收参数：跑道方向角α，着陆点经纬度坐标(ll，bl)，跑道回收航线进入点sr点至窗口点wr点(如图3所示，)的距离d1to2，差分gps高度hs，将着陆点经纬度坐标(ll，bl)，转换为平面直角坐标下的位置(xl，yl)；

步骤5.2：跑道回收从正向和逆向两个方向进行，正向回收方向角α′＝α，逆向回收方向角α′＝α+π，可生成正向和逆向两条跑道回收航线；

步骤5.3：跑道回收航线为4个航点组成的折线，如图3所示，其中sr点为航线进入点，wr点为窗口点，l点为着陆点，c点为纠偏点，sr点和wr点相对跑道的高度均为h，依次生成4个航点的经纬度以及sr点和wr点的高度：

步骤5.3.1：计算sr点直角坐标位置：

将sr点直角坐标(xsr，ysr)转换成经纬度坐标(lsr，bsr)，sr点高度为：hsr＝hs+h；

步骤5.3.2：计算窗口点wr点的直角坐标位置：

将wr点直角坐标(xwr，ywr)转换成经纬度坐标(lwr，bwr)，wr点高度：hwr＝hs+h；

步骤5.3.3：着陆点l点的经纬度坐标为(ll，bl)；

步骤5.3.4：计算c点直角坐标位置：将c点直角坐标(xc，yc)转换成经纬度坐标(lc，bc)；

由此生成跑道回收航线；

步骤6：若为绳钩回收，则依据以下步骤进行：

步骤6.1：接受绳钩回收参数：撞线点h点经纬度坐标(lh，bh)，绳钩回收方向角β，绳钩回收航线窗口点wc点至撞线点h点的水平距离d2toh(如图4所示)，差分gps高度hs，将撞线点经纬度坐标(lh，bh)，转换为平面直角坐标下的位置(xh，yh)；

步骤6.2：撞线回收从正向和逆向两个方向进行，正向回收方向角β′＝β，逆向回收方向角β′＝β+π，生成正向和逆向两条撞线回收航线；

步骤6.3：撞线回收航线为6个航点组成的折线，如图4所示，其中sc点为航线进入点，wc点为窗口点，无人机在wc与a1点之间撞线回收，若无人机没有成功撞线回收，则进入a1、a2、a3、a4点进行复飞调整，然后再进入sc点重新准备撞线回收；6个航点相对回收场地的高度均为h，依次生成6个航点的经纬度和高度；

步骤6.3.1：计算sc点直角坐标位置：

将sc点直角坐标(xsc，ysc)转换成经纬度坐标(lsc，bsc)；

步骤6.3.2：计算wc点直角坐标位置：

将wc点直角坐标(xwc，ywc)转换成经纬度坐标(lwc，bwc)；

步骤6.3.3：计算a1点直角坐标位置：

将a1点直角坐标(xa1，ya1)转换成经纬度坐标(la1，ba1)；

步骤6.3.4：计算a2点直角坐标位置：

将a2点直角坐标(xa2，ya2)转换成经纬度坐标(la2，ba2)；

步骤6.3.5：计算a3点直角坐标位置：

将a3点直角坐标(xa3，ya3)转换成经纬度坐标(la3，ba3)；

步骤6.3.6：计算a4点直角坐标位置：将a4点直角坐标(xa4，ya4)转换成经纬度坐标(la4，ba4)；

步骤6.3.7：6个航点的高度均为h＝hs+h；

由此生成绳钩回收航线。

本发明实施例的详细步骤如下：

步骤1：在跑道中轴线上选择起飞点，作为无人机在跑道上的初始点s点，无人机地面站通过无人机下传数据获取初始点经纬度坐标(ls，bs)和差分gps高度hs，无人机沿着跑道中轴线滑行2至3公里在d点停止，该点作为方向点，获取方向点经纬度坐标(ld，bd)。根据高斯坐标转换公式，将初始点经纬度坐标(ls，bs)，转换为平面直角坐标下的位置(xs，ys)，并将方向点经纬度坐标(ld，bd)，转换为平面直角坐标下的位置(xd，yd)。根据初始点和方向点的位置计算出跑道方向角α(跑道与正北方向的夹角)：

计算出的方向角单位为弧度，将其换算成度输出并保存在配置文件中。

步骤2：输入滑跑回收时无人机的着陆点与初始点之间的距离dsl＝500m，根据高斯坐标转换公式，将初始点经纬度坐标(ls，bs)，转换为平面直角坐标下的位置(xs，ys)。用初始点位置(xs，ys)，距离dsl以及跑道方向角α计算出着陆点位置(xl，yl)：

将陆点位置(xl，yl)转换成经纬度坐标(ll，bl)，保存在配置文件中。

步骤3：选择合适的撞线回收点h点，将绳钩回收车停在该点上，车头方向和撞线回收方向成直角，无人机地面站获取撞线点经纬度坐标(lh，bh)，绳钩回收车沿着车头方向直线行驶1公里在d点停止，该点作为方向点，获取方向点经纬度坐标(lvd，bvd)。根据高斯坐标转换公式，将撞线点经纬度坐标(lh，bh)，转换为平面直角坐标下的位置(xh，yh)，并将方向点经纬度坐标(lvd，bvd)，转换为平面直角坐标下的位置(xvd，yvd)。根据撞线点和方向点的位置计算出绳钩回收方向角β(无人机撞线回收时的航线方向与正北方向的夹角)：

计算出的方向角单位为弧度，将其换算成度输出并保存在配置文件中。

输入绳钩回收航线窗口点wc点至撞线点h点的水平距离d2toh＝2000m，保存在配置文件中。

以上步骤1和步骤2是获取跑道信息，作为自动生成跑道回收航线的输入。步骤3是获取绳钩回收信息，作为自动生成绳钩回收航线的输入。这些信息均保存在了配置文件中，当每次飞行前地面站软件会读取配置文件数据并显示在相应界面中，若回收场地、天气情况等没有变化，不需要重新获取回收信息，则可以直接利用上次的数据作为自动生成跑道回收航线的输入。若有变化则需要重新获取回收信息。

步骤4：根据场地、空间、飞机状态等条件选择回收模式，若为滑轮着陆，则进入跑道回收航线自动规划流程；若为绳钩回收，则进入绳钩回收航线自动规划流程。

步骤5：若为跑道回收，则依据以下步骤进行：

a)接受跑道回收参数：跑道方向角α，着陆点经纬度坐标(ll，bl)，跑道回收航线进入点sr点至窗口点wr点的距离d1to2＝1500m，差分gps高度hs。将着陆点经纬度坐标(ll，bl)，转换为平面直角坐标下的位置(xl，yl)。

b)跑道回收可从正向和逆向两个方向进行，正向回收方向角α′＝α，逆向回收方向角α′＝α+π，可生成正向和逆向两条跑道回收航线。

c)跑道回收航线为4个航点组成的折线，其中sr点为航线进入点，wr点为窗口点，l点为着陆点，c点为纠偏点，sr点和wr点相对跑道的高度均为h＝100m，依次生成4个航点的经纬度以及sr点和wr点的高度。

1)计算sr点直角坐标位置：

将sr点直角坐标(xsr，ysr)转换成经纬度坐标(lsr，bsr).

sr点高度：hsr＝hs+h.

2)计算wr点直角坐标位置：

将wr点直角坐标(xwr，ywr)转换成经纬度坐标(lwr，bwr).

wr点高度：hwr＝hs+h.

3)l点为着陆点，经纬度坐标为(ll，bl).

4)计算c点直角坐标位置：

将c点直角坐标(xc，yc)转换成经纬度坐标(lc，bc).

跑道回收自动生成航线侧视示意图如图3所示。

步骤6：若为绳钩回收，则依据以下步骤进行：

a)接受绳钩回收参数：撞线点h点经纬度坐标(lh，bh)，绳钩回收方向角β，绳钩回收航线窗口点wc点至撞线点h点的水平距离d2toh，差分gps高度hs。将撞线点经纬度坐标(lh，bh)，转换为平面直角坐标下的位置(xh，yh)。

b)撞线回收可从正向和逆向两个方向进行，正向回收方向角β′＝β，逆向回收方向角β′＝β+π，可生成正向和逆向两条撞线回收航线。

c)撞线回收航线为6个航点组成的折线，其中sc点为航线进入点，wc点为窗口点，无人机在wc与a1点之间撞线回收，若无人机没有成功撞线回收，则进入a1、a2、a3、a4点进行复飞调整，然后再进入sc点重新准备撞线回收。sc点至wc点的距离d1to2＝1000m，wc点与撞线点h点之间的距离d2toh＝2000m，撞线点h点至a1点的距离dhro3＝1000m，a1点至a2点间的距离d3to4＝1000m，a2点至a3点之间的距离d4to5＝1000m。其中d1to2，dhto3，d3to4，d4to5为常数。a3点至a4点的距离等于sc点至a2点的距离，a4点至sc点的距离等于a2点至a3点的距离。6个航点相对回收场地的高度均为h＝100m，依次生成6个航点的经纬度和高度。

1)计算sc点直角坐标位置：

将sc点直角坐标(xsc，ysc)转换成经纬度坐标(lsc，bsc).

2)计算wc点直角坐标位置：

将wc点直角坐标(xwc，ywc)转换成经纬度坐标(lwc，bwc).

3)计算a1点直角坐标位置：

将a1点直角坐标(xa1，ya1)转换成经纬度坐标(la1，ba1).

4)计算a2点直角坐标位置：

将a2点直角坐标(xa2，ya2)转换成经纬度坐标(la2，ba2).

5)计算a3点直角坐标位置：

将a3点直角坐标(xa3，ya3)转换成经纬度坐标(la3，ba3).

6)计算a4点直角坐标位置：

将a4点直角坐标(xa4，ya4)转换成经纬度坐标(la4，ba4).

7)6个航点的高度均为h＝hs+h；

绳钩回收自动生成航线三维示意图如图4所示。

双模回收航线自动生成实现流程图如图5所示。

本发明已经应用于某小型无人机系统中，在该系统中，本方法被包含在地面站的航迹监控软件中。航迹监控软件通过网络与数据链系统的地面数据终端进行数据交互，并通过地面数据终端向无人机发送自动生成的回收航线数据。