一种固定翼无人机起飞段切入航路点的在线路径规划方法技术

本发明专利技术公开了固定翼无人机起飞段切入航路点的在线路径规划方法：在起飞段，无人机通过导航系统器件和卫星接收机测量自身的飞行姿态、速度和地理位置三维坐标信息；将飞行器自身三维位置高度和飞行速度方向等信息与期望第一个航路点三维位置高度和期望飞行速度方向等信息进行比较，以便于规划爬升和转弯路径；纵向上规划出到第一个航路点高度的可行爬升路径；水平方向上规划出满足第一个航路点期望方向的转弯路径。针对固定翼无人机起飞段，增强了无人机自主化程度，设计合理可行并且计算量小、在线执行的从起飞点切入第一个航路点的飞行路径规划策略，使无人机在高度和飞行方向上都能够平滑的切入到第一个预设航路点，提高系统的可靠性和实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种固定翼无人机起飞段切入航路点的在线路径规划方法
本专利技术属于飞行器导航、制导和控制的
，具体涉及一种固定翼无人机起飞段切入航路点的在线路径规划方法。
技术介绍
无人机具有体积小、机动性高、能有效减少驾驶人员伤亡及全寿命周期成本低等方面的优势，可以替代有人驾驶飞机执行各种枯燥的、危险的、恶劣的任务，例如远程监视、侦查和打击等军事领域，以及航拍、植保、快递运输、灾难救援和测绘等民事领域，具有广阔的军用和民用前景。随着信息化、自动化、智能化技术的不断发展，无人机技术也发生了很大的改变，无人飞行器自主化程度要求的不断提高。目前无人机的任务规划系统为了圆满完成飞行任务，一般预先设置飞行途中必须经过的一系列关键目标飞行航路点，这些航路点通过一系列直线和圆弧连接而组合成飞行航路，这样对于每一个航点就包含了三维位置和期望飞行方向的信息。通常由于起飞场地的限制，如起飞位置和跑道方向或无人机弹射起飞方向与第一个航点的位置和方向不一致；又由于无人机起飞条件受到现场风向影响较大，通常期望固定翼无人机初始逆风起飞来增加相对空气的速度来提高升力，这样起飞点的位置和方向与第一个航点的位置和方向也不一致。同时，对于固定翼无人机或垂直起降复合式固定翼无人机来说，由于每次起飞位置和第一个航路点相对高度位置不确定，同时起飞的机头方向和预设的第一个飞行航点的期望飞行方向也不能每次预先固定，传统的起飞策略都需要有经验的地面站操作员规划出一种合理的起飞路线策略，从三维位置和方向上导引飞行器起飞到第一个航路点，倘若每次起飞前都要由人工规划出飞行器切入航路点的飞行路径，会大大降低飞行器的自主化程度。固定翼无人机在起飞阶段，飞行器的爬升角同样也不会设置过大，这是为了防止俯仰角过大使飞行器产生失速，失速会导致机翼升力不足而坠机，这对于如何规划起飞阶段的高度策略也是一种挑战。
技术实现思路
针对固定翼无人机起飞段路径规划这一特殊飞行阶段，如何增强无人机自主化程度，能够在线规划出从起飞点切入第一个航路点的合理可行路径亟待解决。实现本专利技术目的所采用的技术方案具体如下：一种固定翼无人机起飞段切入航路点的在线路径规划方法，包括如下步骤：S1、在起飞段，无人机通过导航系统(如惯性传感器)器件和卫星接收机测量自身的飞行姿态、速度和地理位置三维坐标信息；S2、将飞行器自身三维位置高度和飞行速度方向等信息与期望第一个航路点三维位置高度和期望飞行速度方向等信息进行比较，以便于规划爬升和转弯路径；S3、纵向上规划出到第一个航路点高度的可行爬升路径；S4、水平方向上规划出满足第一个航路点期望方向的转弯路径。进一步地，所述步骤S1中无人机测量自身的飞行姿态、速度和地理位置三维坐标信息的具体方法为：无人机相对地面惯性坐标系的姿态角信息由惯性传感器(陀螺仪、加速度计、惯性测量单元)来估计，而地理位置三维坐标、水平飞行速度和速度方向等信息由卫星全球定位导航传感器(GPS)来估计。再进一步地，所述步骤S3中纵向上规划出到第一个航路点高度的可行爬升路径时，充分考虑无人机爬升角过大可能会导致失速的的工程实践风险，设计随实际水平待飞距离变化的直线爬升和盘旋爬升两种路径规划策略。更进一步地，所述步骤S4中水平方向上规划出满足第一个航路点期望方向的转弯路径时，是一种飞行路径最短的优化路径。优选地，所述飞行路径最短的优化路径采用基于Dubins路径的规划转弯策略予以规划。具体地，所述纵向随实际水平待飞距离变化的爬升路径规划策略具体为：设起飞点位置向量处的当前高度为H1，由于第一个期望航路点A处的期望高度为HA，为了让飞机有一个较为平稳的爬升过程，高度指令一般以直线斜坡信号的方式给出，即按照起飞方向纵向平面内选择一个与航路点A高度相同的中间航路点p2，其位置向量为其高度H2与A处的高度HA相同，则到的期望高度偏差ΔH12为ΔH12＝H2-H1(1)定义到的位置向量为定义到的水平投影距离为|p1p2|，这也是实际水平待飞距离。爬升指令即根据飞机的当前位置，计算出当前的高度指令，通常给定飞机一个固定的爬升角，按照固定的爬升角飞行到达期望的高度。定义期望爬升角即期望航迹倾斜角γ当到的水平投影距离|p1p2|即实际水平待飞距离较短时，同时高度偏差ΔH12较大时，飞机的期望航迹倾斜角γ会变大，当该角过大时，俯仰角过大使飞行器产生失速，失速会导致机翼升力不足而坠机。因此这种直线爬升的方式仅适合γ较小时的情况，考虑到无人飞机的失速迎角一般在15度左右，考虑预留一定的裕度，以期望航迹倾斜角10°为分界线(如果航迹倾斜角大于10°则飞行器产生失速)：1)当时，即γ≤10°时采用直线爬升的方式；直线爬升的高度指令Hg如下：式中p代表无人机当前的位置，定义飞行点到当前无人机的水平投影距离为|p1p|，变量tanγ应该满足tanγ＜tan10°。2)当时，即γ＞10°时采用直线爬升和盘旋爬升结合的方式，直线爬升的期望航迹倾斜角为10°，先按期望航迹倾斜角10°直线爬升到中间航路点p2下方的水平投影p3点处，再按盘旋的半径Rpan盘旋爬升到中间航路点p2，盘旋的半径Rpan为预先设定，盘旋爬升时的飞行器滚转角φ满足飞行时最大滚转角φmax的约束，即φ≤φmax。具体地，所述飞行路径最短的优化路径采用基于Dubins路径的规划转弯策略予以规划的策略具体为：从一个航点配置(位置和航向)过渡到另一个航点配置时，两个不同配置之间的时间最优路径由一段圆弧跟着一段直线，结尾再由一段圆弧到达最总配置，这种圆弧—直线—圆弧的路径对于固定高度和恒定速度的情况是时间最优路径；假设无人机在执行水平飞行时飞控系统能够保持地速V绝对值不变，定义圆弧路径的半径用R表示，半径与无人机的转弯半径一样大；对于任何给定的开始和结束配置，由一段圆弧接一段直线再加上一段圆弧的路径有四种情况，第一种情况：右圆弧—直线—右圆弧；第二种情况：右圆弧—直线—左圆弧；第三种情况：左圆弧—直线—右圆弧；第四种情况：左圆弧—直线—左圆弧；为了确定路径最短的路径，需要计算四种情况的路径长度；给定无人机的位置向量信息航向χ和转弯半径R，右转和左转圆弧的中心位置向量和分别由下式给出：式中符号T代表向量的转置；为了计算不同情况轨迹的长度，需要分别针对顺时针圆和逆时针圆确定角距离，假设角度θ1和θ2分别在0和2π之间，对于顺时针圆，θ1和θ2之间的角距离如下：|θ2-θ1|＝<2π+θ2-θ1>(6)式中，符号<θ>代表角θ对2π取模，即<θ>＝θmod2π(7)同样，对于逆时针圆，θ1和θ2之间的角距离如下：|θ2-θ1|＝<2π-θ2+θ1>(8)假设Dubins路径开始圆心下标为s，结束圆心下标为e，开始圆心与结束圆心连线与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固定翼无人机起飞段切入航路点的在线路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、在起飞段，无人机通过导航系统器件和卫星接收机测量自身的飞行姿态、速度和地理位置三维坐标信息；/nS2、将飞行器自身三维位置高度和飞行速度方向等信息与期望第一个航路点三维位置高度和期望飞行速度方向等信息进行比较，以便于规划爬升和转弯路径；/nS3、纵向上规划出到第一个航路点高度的可行爬升路径；/nS4、水平方向上规划出满足第一个航路点期望方向的转弯路径。/n

【技术特征摘要】
1.一种固定翼无人机起飞段切入航路点的在线路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在起飞段，无人机通过导航系统器件和卫星接收机测量自身的飞行姿态、速度和地理位置三维坐标信息；
S2、将飞行器自身三维位置高度和飞行速度方向等信息与期望第一个航路点三维位置高度和期望飞行速度方向等信息进行比较，以便于规划爬升和转弯路径；
S3、纵向上规划出到第一个航路点高度的可行爬升路径；
S4、水平方向上规划出满足第一个航路点期望方向的转弯路径。


2.根据权利要求1所述的固定翼无人机起飞段切入航路点的在线路径规划，其特征在于，所述步骤S1中无人机测量自身的飞行姿态、速度和地理位置三维坐标信息的具体方法为：无人机相对地面惯性坐标系的姿态角信息由惯性传感器来估计，而地理位置三维坐标、水平飞行速度和速度方向信息由卫星全球定位导航传感器GPS来估计。


3.根据权利要求1所述的固定翼无人机起飞段切入航路点的在线路径规划，其特征在于，所述步骤S3中纵向上规划出到第一个航路点高度的可行爬升路径时，充分考虑无人机爬升角过大可能会导致失速的的工程实践风险，设计随实际水平待飞距离变化的直线爬升和盘旋爬升两种路径规划策略。


4.根据权利要求1所述的固定翼无人机起飞段切入航路点的在线路径规划，其特征在于，所述步骤S4中水平方向上规划出满足第一个航路点期望方向的转弯路径时，是一种飞行路径最短的优化路径。


5.根据权利要求4所述的的固定翼无人机起飞段切入航路点的在线路径规划，其特征在于，所述飞行路径最短的优化路径采用基于Dubins路径的规划转弯策略予以规划。


6.根据权利要求3所述的固定翼无人机起飞段切入航路点的在线路径规划，其特征在于，所述纵向随实际水平待飞距离变化的爬升路径规划策略具体为：
设起飞点位置向量处的当前高度为H1，由于第一个期望航路点A处的期望高度为HA，为了让飞机有一个较为平稳的爬升过程，高度指令一般以直线斜坡信号的方式给出，即按照起飞方向纵向平面内选择一个与航路点A高度相同的中间航路点p2，其位置向量为其高度H2与A处的高度HA相同，则到的期望高度偏差ΔH12为
ΔH12＝H2-H1(1)
定义到的位置向量为定义到的水平投影距离为|p1p2|，这也是实际水平待飞距离。爬升指令即根据飞机的当前位置，计算出当前的高度指令，通常给定飞机一个固定的爬升角，按照固定的爬升角飞行到达期望的高度。定义期望爬升角即期望航迹倾斜角γ



当到的水平投影距离|p1p2|即实际水平待飞距离较短时，同时高度偏差ΔH12较大时，飞机的期望航迹倾斜角γ会变大，当该角过大时，俯仰角过大使飞行器产生失速，失速会导致机翼升力不足而坠机。因此这种直线爬升的方式仅适合γ较小时的情况，考虑到无人飞机的失速迎角一般在15度左右，考虑预留一定的裕度，以期望航迹倾斜角10°为分界线：
1)当时，即γ≤10°时采用直线爬升的方式；
直线爬升的高度指令Hg如下：



式中p代表无人机当前的位置，定义飞行点到当前无人机的水平投影距离为|p1p|，变量tanγ应该满足tanγ＜tan10°。
2)当时，即γ＞10°时采用直线爬升和盘旋爬升结合的方式，直线爬升的期望航迹倾斜角为10°，先按期望航迹倾斜角10°直线爬升到中间航路点p2下方的水平投影p3点处，再按盘旋的半径Rpan盘旋爬升到中间航路点p2，盘旋的半径Rpan为预先设定，盘旋爬升时的飞行器滚转角φ满足飞行时最大滚转角φmax的约束，即φ≤φmax。


7.根据权利要求5所述的固定翼无人机起飞段切入航路点的在线路径规划，其特征在于，所述飞行路径最短的优化路径采用基于Dubins路径的规划转弯策略予以规划的策略具体为：
从一个航点配置(位置和航向)过渡到另一个航点配置时，两个不同配置之间的时间最优路径由一段圆弧跟着一段直线，结尾再由一段圆弧到达最总配置，这种圆弧—直线—圆弧的路径对于固定高度和恒定速度的情况是时间最优路径；
假设无人机在执行水平飞行时飞控系统能够保持地速V绝对值不变，定义圆弧路径的半径用R表示，半径与无人机的转弯半径一样大；对于任何给定的开始和结束配置，由一段圆弧接一段直线再加上一段圆弧的路径有四种情况，
第一种情况：右圆弧—直线—右圆弧；
第二种情况：右圆弧—直线—左圆弧；
第三种情况：左圆弧—直线—右圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：张达，张华君，李康伟，刘青，黄晓龙，邬华明，李盛，许铠通，
申请(专利权)人：湖北航天飞行器研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42