[发明专利]一种适用于障碍物环境的无人机下滑段轨迹设计方法

说明书

本发明公开了一种适用于障碍物环境的无人机下滑段轨迹设计方法，包括如下步骤：S0：采集无人机机身宽度与高度以及在低空环境的最大垂向与侧向移动速度，计算无人机侧向与纵向安全包络距离；S1：设计无人机常规下滑轨迹和最大下滑角下滑轨迹；S2：当跑道延长线上存在障碍物，根据障碍物位置与高度将障碍物分为三类，其中对于无风险障碍物，采用常规进场下滑轨迹着陆飞行；对于可飞越障碍物，进场平飞高度不变，增加进场段飞行距离，下滑段前期采用最大下滑角下滑，下滑段后期采用常规下滑角下滑；对于需绕飞障碍物，降低进场平飞高度，无人机从障碍物侧向转弯进入着陆窗口，并采用常规下滑角进行下滑段飞行。

技术领域

本发明涉及飞行控制技术领域，具体来说，是一种适用于障碍物环境的无人机下滑段轨迹设计方法。

背景技术

着陆过程是飞行器整个飞行过程中的事故高发段，对于无人机而言，其着陆过程要求无人机能够按照预先设定的着陆航线飞行，与之相关的着陆下滑轨迹及着陆控制策略设计对于无人机飞行安全尤为重要。如图1所示，对于轮式无人机，其着陆过程一般包含五个阶段，依次为：进场段飞行，着陆窗口捕获，下滑段飞行，拉平段飞行以及地面滑跑。无人机在结束飞行任务或者收到“场道回收”指令后，返航进入着陆进场段飞行，进场段的航线通常为水平直线，无人机保持平飞姿态，飞控计算机实时判断无人机是否进入着陆窗口。着陆窗口通常设为垂直于跑道延长线且具有一定离地高度的矩形区域，若无人机进入该区域，则可认为无人机当前位置与下滑航迹起点之间的偏差足够小，即无人机成功捕捉到下滑航迹，进而无人机转为下滑段飞行。通常在下滑过程中，无人机的下滑角与下滑速度均保持恒定。当无人机截获拉平决策高度后，飞控系统自动增大迎角使轨迹向上弯曲(通常采用指数拉平)并最终实现平稳着陆。

上述无人机着陆过程，对于地势平坦、气候平稳的机场易于实现。然而对于山区、海上机场，由于存在山体、局部恶劣天气等障碍物因素，传统的着陆航迹设计往往无法顺利实施。因此需要在传统着陆流程基础上进行一定轨迹调整。以往的下滑轨迹调整方法，当下滑轨迹上出现山体等障碍物时，采用延长调整段平飞距离，随后以相比常规下滑角(-2.5°)更为陡峭的下滑角进行下滑段飞行，然而较陡的下滑角度导致飞机下降速度较大，近地面出现紧急情况时的决策时间缩短，同时拉平段所需姿态调整幅度增大，因而采用这类方法存在一定的安全隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何构建一种无人机下滑段轨迹，在有效避开障碍物的同时，保证无人机在下滑段后期以常规下滑角转入拉平段飞行。为了解决这一技术问题，本发明提供了一种适用于障碍物环境的无人机下滑段轨迹设计方法，包括如下步骤：

S0：计算无人机在机体坐标系下纵向与侧向的安全包络距离。

S1：设计无人机常规下滑轨迹和最大下滑角下滑轨迹。

S2：根据纵向的安全包络距离，对步骤常规进场轨迹、常规下滑轨迹与最大下滑角进场轨迹、最大下滑角下滑轨迹进行双侧加宽处理，分别得到常规进场段安全通道，常规下滑段安全通道，最大下滑角进场段安全通道与最大下滑角下滑段安全通道。

S3：对跑道延长线上的障碍物进行判断：

情况一：常规下滑段安全通道中不存在障碍物，则障碍物为无风险障碍物，采用常规进场下滑轨迹进行着陆飞行。

情况二：常规下滑段安全通道中存在障碍物，最大下滑角进场段、下滑段安全通道中不存在障碍物，则障碍物为可飞越障碍物；此时无人机进场平飞高度不变，无人机采用最大下滑角下滑轨迹进行着陆飞行。

情况三：常规进场段、下滑段安全通道和最大下滑角进场段、下滑段安全通道中均存在障碍物，则障碍物为需绕飞障碍物；此时无人机从障碍物侧向转弯进入着陆窗口，并采用常规下滑轨迹进行下滑段飞行。

上述无人机最大下滑角下滑轨迹中，前期采用最大下滑角下滑，后期采用常规下滑角下滑，则无人机下滑轨迹设计为：