[发明专利]一种湿滑跑道下无人机安全起飞轨迹设计方法

说明书

本发明提供了一种湿滑跑道下无人机安全起飞轨迹设计方法，包括：采集无人机在滑跑起飞过程中的滑跑摩擦系数、起飞推力、最大爬升角、升阻力系数等性能参数，结合本次飞行任务的跑道长度与无人机质量，建立无人机起飞滑跑平衡方程；迭代求解无人机起飞滑跑平衡方程，得到无人机在湿滑跑道的滑跑距离；设置无人机起飞爬升过程中需达到的安全航迹点，以及无人机滑跑结束、开始爬升位置；计算无人机爬升角度，生成包括滑跑段和爬升段的无人机安全起飞轨迹。本发明在机场湿滑跑道情况下，基于无人机的实际性能，判断其是否可以安全起飞，并设计相应的无人机起飞轨迹，从而给出无人机在湿滑跑道起飞时的操作建议，以提升无人机在起飞过程中的安全性能。

技术领域

本发明涉及无人机飞行控制技术领域，特别是涉及一种湿滑跑道下无人机安全起飞轨迹设计方法。

背景技术

起飞过程是航空飞行器整个飞行过程中的事故高发段，根据欧洲航空安全局于2018年发表的《航空年度安全总结报告》统计，2013至2017年，冲/偏出跑道事故的发生率在所有民航飞行事故类型中占据第一位，且81％的冲/偏出跑道事故属于高风险航空事故。由于降雨、降雪所引起的跑道条件的恶化同样是威胁无人机起飞安全的主要因素之一。跑道积雪、结冰和积水会形成湿滑跑道，导致无人机在起降阶段滑跑过程中摩擦系数减小，不易保持方向、起飞距离增加甚至冲出跑道。因此，无人机起飞过程需要考虑复杂的跑道条件，与之相关的无人机起飞轨迹设计对于无人机飞行安全尤为重要。

美国联邦航空管理局的AC-25-31和中国民用航空局的CCAR 121均给出了湿滑跑道起飞相关的民航适航条例。其中AC-25-31分析了不同跑道表面状况对摩擦系数和起飞距离的影响，但对于起飞操作方面没有进行具体的标准要求。CCAR 121中给出了民航飞机在干、湿和受污染情况下的起飞跑道长度要求，要求当出现跑道湿滑情况时，有效跑道长度应能满足滑跑距离相比正常滑跑距离增加115％之情况，但并未给出具体的起飞性能计算方法，也缺少详细的起飞操作要求。相比于各国适航管理机构对于民航飞机湿滑跑道起飞的各类适航规定与建议，对于无人机在湿滑跑道中的安全起降研究尚处于起步阶段，尚未有成熟的适航条例颁布。同时，无人机自主起飞相比民航飞机的驾驶员操作起飞，在风险性上进一步提高，急需给出无人机在湿滑跑道起飞时的操作建议，以提升无人机在起飞过程中的安全性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种湿滑跑道下无人机安全起飞轨迹设计方法，在机场湿滑跑道情况下，基于无人机的实际性能，判断其是否可以安全起飞，并设计相应的无人机起飞轨迹，从而给出无人机在湿滑跑道起飞时的操作建议，以提升无人机在起飞过程中的安全性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种湿滑跑道下无人机安全起飞轨迹设计方法，包括如下步骤：

S1，采集湿滑跑道下，无人机滑跑的地面摩擦系数f、无人机起飞推力T、最大爬升角度θ_M以及滑跑起飞迎角下的无人机机体升力系数C_L与阻力系数C_D，并获取本次飞行任务的机场跑道长度R、无人机起飞机体质量m；

S2，建立湿滑跑道下无人机起飞滑跑平衡方程，公式如下：

式中，g为机场当地的重力加速度，ρ为机场当地的空气质量密度，S为无人机起飞滑跑过程中的迎风面积；平衡方程中带下标t的物理量为时间相关项，其中，V_t为无人机的瞬时滑跑速度，N_t为无人机滑跑过程中受到的瞬时地面支撑力，a_t为无人机的瞬时滑跑加速度，F_t为无人机与湿滑跑道之间产生的瞬时摩擦力，项为无人机在滑跑中的瞬时升力L_t，项为无人机在滑跑中的瞬时气动阻力D_t；