基于能量的无动力滑降无人机着陆下滑道动态生成方法技术

本发明专利技术提供了一种基于能量的无动力滑降无人机着陆下滑道动态生成方法，是从飞机飞至跑道后方对准跑道准备着陆开始，将飞机下滑道分为能量管理段、陡下滑段、圆弧过渡段和浅下滑段，着陆开始后，在能量管理段开始实时计算飞机当前能量，根据能量剖面计算浅下滑段起始高度，然后根据剩余航程分别计算飞机的浅下滑段、圆弧过渡段和陡下滑段对应航程与高度的关系，生成整个下滑道高度与航程曲线。本发明专利技术动态生成的下滑道可有效解决无人机降落初始状态不同导致的降落状态的不确定性，可在无减速板情况下仅通过动态生成的下滑道使飞机在降落时达到理想的速度与下沉率，对高度跟踪效果好，着陆精度高。着陆精度高。着陆精度高。

【技术实现步骤摘要】
基于能量的无动力滑降无人机着陆下滑道动态生成方法


[0001]本专利技术涉及无人机
，具体涉及一种基于能量的无动力滑降无人机着陆下滑道动态生成方法。

技术介绍

[0002]固定翼无人机自动着陆是整个飞行的最后阶段，接地时飞机需处于理想的飞行速度及下沉率，否则易对飞机造成损坏。
[0003]固定翼无人机飞行前将下滑道装订至飞机，降落阶段严格按装订的下滑道飞行，无法做到根据飞机状态调整；对于无减速板的无动力滑降无人机，使用俯仰角控制飞机着陆时的速度及下沉率，除此之外俯仰角还用于控制高度，两种方式耦合导致飞机对高度的跟踪效果不佳，着陆精度差。

技术实现思路

[0004]针对上述
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提出了一种基于能量的无动力滑降无人机着陆下滑道动态生成方法，其构思合理，动态生成的下滑道可有效解决无人机降落初始状态不同导致的降落状态的不确定性，可在无减速板情况下仅通过动态生成的下滑道使飞机在降落时达到理想的速度与下沉率，无需改变飞机纵向姿态控制着陆速度，对高度跟踪效果好，着陆精度高。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供的一种基于能量的无动力滑降无人机着陆下滑道动态生成方法，是从飞机飞至跑道后方对准跑道准备着陆开始，将飞机下滑道分为能量管理段、陡下滑段、圆弧过渡段和浅下滑段，在能量管理段实时计算飞机当前能量，根据能量剖面计算浅下滑段起始高度，然后根据剩余航程分别计算飞机的浅下滑段、圆弧过渡段和陡下滑段对应航程与高度的关系，生成下滑道高度与航程曲线。
[0006]所述基于能量的无动力滑降无人机着陆下滑道动态生成方法，其中，应用于无人机进入着陆段的情况,具体包括如下步骤：
[0007]S100、轨迹仿真确定能量剖面边界
[0008]能量剖面边界是最陡下滑能量剖面和最大升阻比下滑能量剖面构成，标称下滑能量剖面位于最陡下滑和最大升租比下滑之间，是飞机沿理想下滑道飞行得到的下滑轨迹，能量剖面是待飞距离x的函数；最陡下滑是无人机进入陡下滑段前按照不超过最大允许动压限制达到的最陡下滑轨迹；最大升阻比下滑是无人机陡下滑前保持最大升阻比飞行所得到的下滑轨迹；根据飞机沿最陡下滑轨迹与最大升阻比轨迹来计算飞机的能量剖面，能量为单位质量的动能和势能,且飞机能量的计算公式如下：
[0009][0010]上式(1)中，Eow为能量，g为重力加速度，V为飞行速度，H为飞机高度；以待飞距离x为自变量，能量Eow为因变量，即可得到飞机的能量剖面；
[0011]着陆段能量剖面以沿跑道方向落点后方L公里开始计算，在该位置处，飞机分别以最陡飞行、最大升阻比飞行以及标称飞行，以低于陡下滑起始高度H
d
结束；根据飞机以最陡飞行、最大升阻比飞行以及标称飞行时的能量以及对应待飞距离x便可得到飞机的能量剖面；
[0012]能量剖面确定后，使用二级傅里叶级数拟合能量曲线，分别得到最陡下滑、标称下滑、最大升阻比下滑能量与待飞距x的函数：
[0013][0014][0015][0016]上式(2)
‑
(4)中，E
h
、E
m
、E
l
分别为最陡下滑、标称下滑、最大升阻比下滑时的能量，x为飞机当前位置与落点位置的水平距离即待飞距；a
0h
，a
1h
，b
0h
，b
1h
，w
h
，a
0m
，a
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，b
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，b
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，w
m
，a
0l
，a
1l
，a
2l
，b
0l
，b
1l
，w
l
为曲线拟合的系数；
[0017]S200、设计标准着陆下滑道
[0018]根据已知的飞机理想的触地速度与下沉率，通过多次仿真迭代，确定标准着陆下滑道；
[0019]S300、设计最陡下滑及最大升阻比下滑着陆下滑道
[0020]分别以最陡下滑及最大升阻比下滑结束时的状态作为初始条件，使用标准下滑轨迹的陡下滑角r1以及圆弧半径R，仅通过改变浅下滑起始高度H
s
，使飞机触地时满足理想速度与下沉率，分别得到最陡下滑及最大升阻比浅下滑的起始高度H1,H2；
[0021]S400、根据无人机能量实时计算浅下滑段起始高度；
[0022]无人机下滑时的能量剖面确定后，通过所述步骤S100
‑
S300得到满足理想速度及下沉率的标称、最陡下滑和最大升阻比的着陆轨迹；无人机在实际飞行时，根据标称、最陡下滑和最大升阻比的浅下滑起始高度及能量剖面，实时计算飞机当前能量在能量剖面中的位置，通过一维线性插值方式计算当前能量下浅下滑开始时应有初始高度，进而动态生成不同的下滑轨迹；
[0023]S500、根据能量计算的浅下滑段起始高度动态生成下滑道
[0024]陡下滑角r1、圆弧半径R以及浅下滑角r2均为定值，根据步骤S400实时计算更新的浅下滑起始高度H
s
，即可动态生成完整的着陆下滑道。
[0025]所述基于能量的无动力滑降无人机着陆下滑道动态生成方法，其中，所述步骤S200的具体过程为：定义浅下滑起始高度H
s
，圆弧段半径R，陡下滑轨迹倾角r1；r1的选取原则是使动压在陡下滑段保持恒定；初始状态选择标称下滑结束时的状态，轨迹设计的过程如下：
[0026]S201、给定标称下滑结束时飞机状态；
[0027]S202、选取飞机的陡下滑角r1、圆弧半径R和浅下滑起始高度H
s
；
[0028]S203、计算飞机的浅下滑、圆弧段和深下滑段坐标；
[0029]S204、飞机以高度跟踪进行飞行仿真；
[0030]S205、飞机落地速度下沉率若满足条件，则确定标准下滑道陡下滑角r1、圆弧半径R、浅下滑起始高度H2，结束轨迹设计；飞机落地速度下沉率若不满足条件，则返回到步骤S202继续进行；最终通过多次仿真迭代，确定一组陡下滑角r1、圆弧半径R以及浅下滑起始高度H
s
作为标准着陆下滑道。
[0031]所述基于能量的无动力滑降无人机着陆下滑道动态生成方法，其中，所述步骤S300中获得最陡下滑的起始高度H1的具体过程为：
[0032]S301、给定最陡下滑结束时飞机状态；
[0033]S302、使用所述步骤S200得到的飞机的陡下滑角r1、圆弧半径R；
[0034]S303、选取一个起始高度H
s
；
[0035]S304、计算飞机的浅下滑、圆弧段和深下滑段坐标；
[0036]S305、飞机以高度跟踪进行飞行仿真；
[0037]S306、飞机落地速度下沉率若满足条件，则确定最陡下滑浅下滑起始高度H1，结束轨迹设计；飞机落地速度下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于能量的无动力滑降无人机着陆下滑道动态生成方法，其特征在于：从飞机飞至跑道后方对准跑道准备着陆开始，将飞机下滑道分为能量管理段、陡下滑段、圆弧过渡段和浅下滑段，在能量管理段实时计算飞机当前能量，根据能量剖面计算浅下滑段起始高度，然后根据剩余航程分别计算飞机的浅下滑段、圆弧过渡段和陡下滑段对应航程与高度的关系，生成下滑道高度与航程曲线。2.如权利要求1所述的基于能量的无动力滑降无人机着陆下滑道动态生成方法，其特征在于，应用于无人机进入着陆段的情况,具体包括如下步骤：S100、轨迹仿真确定能量剖面边界能量剖面边界是最陡下滑能量剖面和最大升阻比下滑能量剖面构成，标称下滑能量剖面位于最陡下滑和最大升租比下滑之间，是飞机沿理想下滑道飞行得到的下滑轨迹，能量剖面是待飞距离x的函数；最陡下滑是无人机进入陡下滑段前按照不超过最大允许动压限制达到的最陡下滑轨迹；最大升阻比下滑是无人机陡下滑前保持最大升阻比飞行所得到的下滑轨迹；根据飞机沿最陡下滑轨迹与最大升阻比轨迹来计算飞机的能量剖面，能量为单位质量的动能和势能,且飞机能量的计算公式如下：上式(1)中，Eow为能量，g为重力加速度，V为飞行速度，H为飞机高度；以待飞距离x为自变量，能量Eow为因变量，即可得到飞机的能量剖面；着陆段能量剖面以沿跑道方向落点后方L公里开始计算，在该位置处，飞机分别以最陡飞行、最大升阻比飞行以及标称飞行，以低于陡下滑起始高度H
d
结束；根据飞机以最陡飞行、最大升阻比飞行以及标称飞行时的能量以及对应待飞距离x便可得到飞机的能量剖面；能量剖面确定后，使用二级傅里叶级数拟合能量曲线，分别得到最陡下滑、标称下滑、最大升阻比下滑能量与待飞距x的函数：最大升阻比下滑能量与待飞距x的函数：最大升阻比下滑能量与待飞距x的函数：上式(2)
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(4)中，E
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m
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分别为最陡下滑、标称下滑、最大升阻比下滑时的能量，x为飞机当前位置与落点位置的水平距离即待飞距；a
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为曲线拟合的系数；S200、设计标准着陆下滑道根据已知的飞机理想的触地速度与下沉率，通过多次仿真迭代，确定标准着陆下滑道；S300、设计最陡下滑及最大升阻比下滑着陆下滑道分别以最陡下滑及最大升阻比下滑结束时的状态作为初始条件，使用标准下滑轨迹的陡下滑角r1以及圆弧半径R，仅通过改变浅下滑起始高度H
s
，使飞机触地时满足理想速度与下沉率，分别得到最陡下滑及最大升阻比浅下滑的起始高度H1,H2；
S400、根据无人机能量实时计算浅下滑段起始高度；无人机下滑时的能量剖面确定后，通过所述步骤S100
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S300得到满足理想速度及下沉率的标称、最陡下滑和最大升阻比的着陆轨迹；无人机在实际飞行时，根据标称、最陡下滑和最大升阻比的浅下滑起始高度及能量剖面，实时计算飞机当前能量在能量剖面中的位置，通过一维线性插值方式计算当前能量下浅下滑开始时应有初始高度，进而动态生成不同的下滑轨迹；S500、根据能量计算的浅下滑段起始高度动态生成下滑道陡下滑角r1、圆弧半径R以及浅下滑角r2均为定值，根据步骤S400实时计算更新的浅下滑起始高度H
s
，即可动态生成完整的着陆下滑道。3.如权利要求2所述的基于能量的无动力滑降无人机着陆下滑道动态生成方法，其特征在于，所述步骤S200的具体过程为：定义浅下滑起始高度H
s
，圆弧段半径R，陡下滑轨迹倾角r1；r1的选取原则是使动压在陡下滑段保持恒定；初始状态选择标称下滑结束时的状态，轨迹设计的过程如下：S201、给定标称下滑结束时飞机状态；S202、选取飞机的陡下滑角r1、圆弧半径R和浅下滑起始高度H
s
；S203、计算飞机的浅下滑、圆弧段和深下滑段坐标；S204、飞机以高度跟踪进行飞行仿真；S205、飞机落地速度下沉率若满足条件，则确定标准下滑道陡下滑角r1、圆弧半径R、浅下滑起始高度H2，结束轨迹设计；飞机落地速度下沉率若不满足条件，则返回到步骤S202继续进行；最终通过多次仿真迭代，确定一组陡下滑角r1、圆弧半径R以及浅下滑起始高度H
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作为标准着陆下滑道。4.如权利要求2所述的基于能量的无动力滑降无人机...

【专利技术属性】
技术研发人员：许甫，肖歆昕，李文皓，张琛，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：