专利名称：一种适用于地形约束条件下的无人机起落航线编排方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于地形约束条件下的无人机起落航线编排方法，属于无人机航路规划领域。
背景技术：
起落航线为飞机的起飞、离场、进场和着陆提供具体的航路。在有人机系统中，为确保飞机以有序的方式进入和离开机场，需要在指定的机场建立具体的起落航线和交通管制程序，包括起落航线的方向和结构，飞行的高度以及进入和离开起落航线的程序。目前技术比较成熟、使用比较广泛的是五边航线，如图1，五边航线由以下五条边组成:第一边(upwind,离场边)、第二边(crosswind,侧风边,方向与跑道成90度)、第三边(downwind,下风边，方向与跑道起飞方向反向平行)、第四边(base，基线边，与跑道垂直)、第五边(final，进场边，与起飞方向相同)。图1为飞机按照五边航线进行一个完整的起飞降落过程，而对于准备进近着陆的飞机来说，五边实质上就是围绕机场转一圈。当然，受限于航线、风速、空域和机场繁忙程度、ACT的指挥，进近航线不一定严格要飞完五边，可以适时从某条边直接切入。五边航线飞行并不是唯一的进近程序，还有修正角进近、目视进近、U型进近等方式，但是在大型机场中五边飞行是一种很常见的进近程序。目前，通常的无人机在进行起落航线的编排时参考了有人机的五边航线飞行方式，根据五边航线飞行的过程以及当地机场的地理位置进行起落航线的编排及航路点的注入。由于起落航线由五条边构成，因此该航线通常由六个点连接构成。图2为目前采用的由六点(O点 5点)构成的无人机起落航线示意图。在航点的编排时，需要综合考虑机场的地理位置、飞机进场定高飞行高度、飞机的下滑线角度等因素进行各航点的计算和标定，最终得到每个航点的经纬度信息通过地面操控站发送至无人机。图3给出了考虑到无人机正逆向着陆以及获取高精度的跑道航向角的航线编排方法。(参见参考文献[I]:专利申请号:201010276673.1)，对传统五边航线进行了编排。图2或图3所述的编排方式对起落航路点进行布置，需要机场附近配备较大的净空区域，以保障飞行安全。而有些地区往往以山地、丘棱、平原或盆地等地形为主，而且分布纵横交错，严重制约了机场有效占地面积，同时限制了五边形起落航线的对称布局和航路点的编排。而且当航线编排的位置越远离机场，净空率则越少。可见，当地机场的地理位置以及周边地形环境是进行航线编排时应当优先考虑的因素。
发明内容
本发明的目的是在机场附近存在较多地形障碍的背景下，从现有的无人机起落航线编排方法出发，在机场有限净空区域内，因地制宜，采用相对灵活的航线编排方法，使得无人机安全自主起降飞行。本发明的一种适用于地形约束条件下的无人机起落航线编排方法，根据航点间的切换距离D、起落架收放最长时间T、相邻航线构成的转弯角等因素搜索出构成航线的候选航路点，以满足无人机安全起降的要求，具体步骤如下:步骤一:根据机场地形测绘图，确定起落航线编排的区域。步骤二:按照传统五边航线进场着陆的航线编排方法，根据航点间的切换距离D，可确定航路点O到航路点I以及航路点4到航路点5的最短距离为2D，并且航向均垂直于跑道的中心线；按照传统五边航线编排方法确定航路点1、航路点2、航路点3、航路点4的位置。考虑到预设置的航路点O及航路点5的航线编排区域内是否存在地形障碍，对航路点O和航路点5的位置分别进行如下编排:(a)若预设置航路点O及航路点5与地形障碍的距离均大于飞行的安全距离，则按照传统航线编排方式进行航线编排；(b)若预设置航路点O及航路点5与地形障碍的距离中，当其中一个距离小于飞行安全距离，则转入步骤三；当两个距离均小于飞行安全距离，则转入步骤四。步骤三:按照传统五边航线编排方法，固定位于安全区域内航路点的位置；其次确定放起落架观测点M的位置，将航路点O向靠近机场的一侧拖动，拖动后可
得到一系列的候选航点集合IfOj二，若航点集合中的元素满足以下四个约束条件，则可将其确定为航路点，记作航路点K。(I)航路点K与地形障碍物的距离大于飞行安全距离；(2)航路点K与航路点I构成的航线与跑道中心线方向的夹角α彡45° ;(3)航路点K、观测点M构成的航线与航路点K、航路点I构成的航线的夹角β ≥ 90° ;(4)航路点K、观测点M的距离Lkm≥3Τν,以保证飞机正向着陆时起落架的安全收放，其中V是飞机在观测点M和航路点K间的飞行速度，T是起落架安全收放所需的最长时间。所述观测点M位于机场附近空旷便于观察的位置，且与机场跑道相距2D。最后,将起落航路点N布置于沿航路点K到观测点M方向的延长线上,航路点N与观测点M之间的距离和观测点M和航路点K之间的距离相同，并使得航路点I一航路点K一航路点M—航路点N—航路点5—航路点4一航路点I构成封闭多边形。步骤四:航路点O和航路点5的安全区域内均存在地形障碍，首先按照步骤三中所述的方法确定航路点K、观测点M和航路点N的位置，以观测点M和跑道中心的连线为分界线，在所述分界线的左侧范围内确定航路点K (即对应原航路点O),右侧范围内确定航路点N,若此时航路点N在威胁区域内，则微调航路点K的位置直至航路点N位于安全区域。按照如下的约束条件确定航路点P (即对应原航路点5):(I)航路点P与地形障碍物的距离大于飞行安全距离；(2)航路点P与航路点4构成的航线与跑道中心线方向的夹角Θ≥45° ；(3)航路点P、航路点4构成的航线与航路点P、航路点N构成的航线的夹角
Y≥ 90° ;最终使得航路点I一航路点K一观测点M—航路点N—航路点P—航路点4一航路点3—航路点2—航路点I构成封闭多边形。本发明的优点在于:(I)在充分考虑到了机场当地的地形因素的基础上，对无人机起落航线进行编排，保证了起降安全；(2)增设了收放起落架的观测点M，提高了无人机的安全保障能力；(3)将起落架安全收放所需的最长时间设置为约束条件，减弱了收放起落架动作对无人机航向控制的I禹合作用；(4)本发明提供的编排方法简单，易于操作。
图1是现有技术中的有人机五边航线飞行示意图；图2是现有技术中的有人机五边航线上航点组成示意图；图3是现有技术中考虑到正逆向着陆的无人机起落航线示意图；图4是本发明所述步骤三情况下正逆向着陆的无人机起落航线图；图5是本发明所述步骤四情况下正逆向着陆的无人机起落航线图；图6是依据本发明所述的无人机起落航线实例图。
具体实施例方式下面将结合实例及附图对本发明作进一步说明。本发明提供一种适用于地形约束条件下的无人机起落航线编排方法，根据机场地形测绘图，对五边航线中的航路点O和航路点5进行灵活调整，得到多边形无人机起落航线，具体包括如下步骤: 步骤一:根据机场地形测绘图，确定起落航线编排的区域。步骤二:按照传统五边航线进场着陆的航线编排方法，根据航点间的切换距离D，可确定航路点O到航路点I以及航路点4到航路点5的最短距离为2D，并且航向均垂直于跑道的中心线。参考机场地形测绘图，按照传统五边航线编排方法确定航路点1、航路点2、航路点3、航路点4的位置，考虑到预设置的航路点O及航路点5的航线编排区域内是否存在地形障碍，对航路点O和航路点5的位置分别进行如下编排:(a)若地形障碍与航路点O和航路点5之间的距离均大于飞行的安全距离，则按照传统航线编排方式进行航线编排；(b)若地形障碍与航路点O和航路点5之间的距离中，仅有一个距离小于飞行安全距离，则转入步骤三；当两者均小于飞行安全距离，则转入步骤四。步骤三:如图4，在航路点O的安全区域内存在地形障碍，因此需要对航路点O的位置进行调整，具体如下:首先按照传统五边航线编排方法，固定位于安全区域内航点的位置(这里假设5点位于安全区域);其次确定放起落架观测点M点的位置(可位于机场附近空旷便于观察的位置，且与机场跑道中心线相距2D)，将预设置的航路点O向靠近机场的一侧拖动，拖动后可得到一
系列的候选航点集合问二，若航点集合中的元素满足以下四个约束条件，则可将其确定为
最终航路点，记作航路点K。所述的四个约束条件如下:(I)航路点K与地形障碍物的距离大于飞行安全距离；(2)航路点K与航路点I构成的航线与跑道中心线方向的夹角α彡45° ;
(3)航路点K、观测点M构成的航线与航路点K、航路点I构成的航线的夹角β 彡 90° ;(4)航路点K与观测点M之间的距离Lkm彡3Τν,以保证飞机正向着陆时起落架的安全收放，其中V是飞机在观测点M和航路点K间的飞行速度，T是起落架安全收放所需的最长时间。最后,将起落航路点N布置于沿航路点K到观测点M方向的延长线上,航路点N与观测点M点之间的距离等于观测点M和航路点K之间的距离，并使得航路点I一航路点K一航路点M—航路点N—航路点5—航路点4一航路点I构成封闭多边形。所述的安全区域是指以航线编排区域内地形障碍为中心，若无人机与地形障碍的距离大于飞行安全距离，则认为无人机处于安全可飞的安全区域。步骤四:如图5所示，在航路点O和航路点5的安全区域内均存在地形障碍，因此需要对航路点O和航路点5的位置均进行调整，具体如下:首先按照步骤三中所述的方法确定航路点K、观测点M和航路点N的位置，以观测点M和跑道中心的连线为分界线，在所述分界线的左侧范围内确定航路点Κ(即对应原航路点0)，右侧范围内确定航路点N，若此时航路点N在威胁区域内，则微调航路点K的位置直至航路点N位于安全区域。按照如下的约束条件确定航路点P (即对应原航路点5):(I)航路点P与地形障碍物的距离大于飞行安全距离；(2)航路点 P与航路点4构成的航线与跑道中心线方向的夹角Θ彡45° ；(3)航路点P、航路点4构成的航线与航路点P、航路点N构成的航线的夹角
Y>90° ;最终使得航路点I一航路点K一观测点M—航路点N—航路点P—航路点4一航路点3—航路点2—航路点I构成封闭多边形，如图5所不。实施例如图6所示，考虑某无人机进场定高飞行高度H=300m，无人机的航迹倾角λ=-20，航点切换距离D=200m，起落架收放所需最长时间T=IOs,无人机在收放起落架时的飞行速度v=40m/s，机场跑道长800m，宽30m，航线编排区域的左前方的地形障碍较密集，不利于航线的编排。采用本发明提供的方法对上述的无人机进场的起落航线进行编排，具体步骤如下:步骤一:选择机场净空率较大的那一侧作为起落航线编排的方向。如图6所示，SP选择无山脉的那一侧作为航线编排区域。步骤二:按照传统五边航线进场着陆的航线编排方法，可确定航路点3和航路点4之间的最短距离为833米，航路点O和航路点I的最短距离为2D=400米，航路点4到航路点5的最短距离为2D=400米，并且二者航向均垂直于跑道的中心线。参考机场附近的地形测绘图，预设置航路点O位于危险区域，因此需要对该航路点O进行修正。步骤三:首先固定位于安全区域内航路点5的位置，其次定义放起落架观测点的位置M，位于机场跑道中心线正前方且二者相距2D=400米，将航路点O向靠近机场跑道的一
侧拖动，拖动后可得到一系列的候选航路点集合{0丨二，若集合中的元素满足如下的约束条
件，则可将其确定为航路点，记作点K。所述的约束条件为:
(I)航路点K与地形障碍物的距离大于飞行安全距离；(2)航路点K与航路点I构成的航线与跑道中心线方向的夹角α彡45° ;(3)航路点K、观测点M构成的航线与航路点K、航路点I构成的航线的夹角β 彡 90° ;(4)航路点K与观测点M之间的距离Lkm彡3Τν,以保证飞机正向着陆时起落架的安全收放，其中V是飞机在观测点M和航路点K间的飞行速度，T是起落架安全收放所需的最长时间。航路点K、观测点M的距离Lkm = 3Τν = 1200米,最后,将起落航线点N布置于沿航路点K到观测点M方向的延长线上，航路点N与观测点M之间的距离等于观测点M和航路点K之间的距尚，均为1200米,并使得航路点I一航路点K一航路点M—航路点N—航路点5—航路点4一航路点3—航路点2 —航路点I构成封闭多边形。
权利要求
1.一种适用于地形约束条件下的无人机起落航线编排方法，其特征在于: 步骤一:根据机场地形测绘图，确定起落航线编排的区域； 步骤二:按照传统五边航线进场着陆的航线编排方法，根据航路点间的切换距离D，确定航路点O到航路点I以及航路点4到航路点5的最短距离为2D，并且航向均垂直于跑道的中心线；按照传统五边航线编排方法确定航路点1、航路点2、航路点3、航路点4的位置；根据预设置航路点O及航路点5的航线编排区域内是否存在地形障碍，对航路点O和航路点5的位置分别进行如下编排: (a)若预设置航路点O及航路点5与地形障碍的距离均大于飞行的安全距离，则按照传统航线编排方式进行航线编排； (b)若预设置航路点O及航路点5与地形障碍的距离中，其中一个距离小于飞行安全距离，则转入步骤三；当两个距离均小于飞行安全距离，则转入步骤四； 步骤三:按照传统五边航线编排方法，固定位于安全区域内航路点的位置； 其次确定放起落架观测点M的位置，将航路点O向靠近机场的一侧拖动，拖动后得到一系列的候选航路点集合，若航路点集合中的元素满足以下四个约束条件，则将其确定为航路点，记作航路点K: (1)航路点K与地形障碍物的距离大于飞行安全距离； (2)航路点K与航路点I构成的航线与跑道中心线方向的夹角α彡45°; (3)航路点K、观测点M构成的 航线与航路点K、航路点I构成的航线的夹角β> 90° ; (4)航路点K、观测点M的距离Lkm彡3Τν，以保证飞机正向着陆时起落架的安全收放，其中V是飞机在观测点M和航路点K间的飞行速度，T是起落架安全收放所需的最长时间； 最后，将起落航路点N布置于沿航路点K到观测点M方向的延长线上，航路点N与观测点M之间的距尚和观测点M和航路点K之间的距尚相同，并使得航路点I一航路点K一航路点M—航路点N—航路点5—航路点4一航路点I构成封闭多边形； 步骤四:航路点O和航路点5的安全区域内均存在地形障碍，首先按照步骤三中所述的方法确定航路点K、观测点M和航路点N的位置，以观测点M和跑道中心的连线为分界线，在所述分界线的左侧范围内确定航路点K,作为航路点O的位置；右侧范围内确定航路点N,若此时航路点N在威胁区域内，则调整航路点K的位置直至航路点N位于安全区域； 按照如下的约束条件确定航路点P，作为航路点5的位置: (1)航路点P与地形障碍物的距离大于飞行安全距离； (2)航路点P与航路点4构成的航线与跑道中心线方向的夹角Θ彡45°; (3)航路点P、航路点4构成的航线与航路点P、航路点N构成的航线的夹角Y> 90° ; 最终使得航路点I一航路点K一观测点M—航路点N—航路点P—航路点4一航路点3—航路点2—航路点I构成封闭多边形。
2.根据权利要求1所述的一种适用于地形约束条件下的无人机起落航线编排方法，其特征在于:所述观测点M位于机场附近空旷便于观察的位置，且与机场跑道相距2D，D为航路点间的切换距离。
全文摘要
本发明公开了一种适用于地形约束条件下的无人机起落航线编排方法，属于无人机航路规划领域。本发明可以在机场附近存在较多地形障碍的背景下，从现有的无人机起落航线编排方法出发，在机场有限净空区域内，因地制宜，根据航点间的切换距离D、起落架收放最长时间T、相邻航线构成的转弯角等因素搜索出构成航线的候选航路点，使得无人机安全自主起降飞行。本发明增设了收放起落架的观测点M，提高了无人机的安全保障能力；将起落架安全收放所需的最长时间设置为约束条件，减弱了收放起落架动作对无人机航向控制的耦合作用；本发明提供的编排方法简单，易于操作。
文档编号G08G5/00GK103208206SQ201310091020
公开日2013年7月17日 申请日期2013年3月21日 优先权日2013年3月21日
发明者王宏伦, 邵星灵, 舒婷婷, 向锦武 申请人:北京航空航天大学