[发明专利]一种无人机无动力应急返场在线航迹规划方法

说明书

本发明公开了一种无人机无动力应急返场在线航迹规划方法，属于在线航迹规划领域。该方法包括如下步骤：S1、给定位姿点，设定进入航向调整圆与航向对准圆滚转角，滚转半径，无人机利用几何规划法快速生成扩展2D Dubins航迹;S2、根据无人机返场高度差与标准横程、下滑角约束，将3D Dubins航迹分为四种下滑类型，依次为：浅下滑类型、标准下滑类型、S‑turn机动转弯类型和螺旋机动增程类型；S3、在选择到着陆场后，航路在线规划管理单元初始化无人机初始与终端的位姿状态，并应用3D Dubins路径规划方法规划出一条三维航迹。本发明解决了应急返场等大空域下简单几何约束的航迹在线规划。

技术领域

本发明涉及一种无人机无动力应急返场在线航迹规划方法，属于在线航迹规划领域。

背景技术

航迹规划是指在特定的约束条件下，寻找运动体从初始点到目标点满足某种性能指标最优的运动轨迹。飞行器在此阶段需要对自身的高度和速度进行调整而满足着陆的要求，使飞行器能够平稳的着陆到指定的着陆场。

推力完全损失后，飞行员(无人机)必须在滑翔范围内寻找到一个合适的迫降场，一旦飞机进场，就必须进行下滑着陆，不存在复飞的可能。首先，无人机通过地理信息系统、机载地图数据或实时视觉技术获取迫降场列表并根据飞机仅有的飞行能力寻找到着陆域范围内的着陆场，之后根据大气物理、风场信息、着陆场的地理信息对可达迫降场列表排列选择出最优的迫降场，最后根据飞机当前的状态实时规划一条满足飞行性能的航迹并控制其精准地跟踪轨迹应急着陆。因此，着陆应急航线的实时在线规划是无人机无动力应急迫降的关键技术。文献“《末端能量管理段轨迹生成改进算法》唐鹏，张曙光，宇航学报2009，30(4)：1340-1345”和文献“《航天飞机末端能量管理段在线轨迹设计方法》沈宏良，龚正，宇航学报2008，29(2)：430-433”提出了末端能量管理段轨迹生成改进算法，该方法可根据飞行器当前的能量状态及相对于机场的位置，在线快速生成返回轨迹，保证飞行器在满足各种约束的情况下精确进入自动着陆窗口，可应用于飞行器正常返回及异常情况返回时的制导、控制。但这些方法适合复杂环境的航迹规划，并不适用于应急返场等大空域下简单几何约束的航迹在线规划。

发明内容

针对无人机推力损失后存在高度、航向的不确定，终端约束，飞行总能量有限等特性，本发明提出了一种无人机无动力应急返场在线航迹规划方法，将下滑航迹划分为标准下滑航迹、S-Turn机动转弯航迹、螺旋机动增程航迹，解决了应急返场等大空域下简单几何约束的航迹在线规划。

本发明解决其技术问题所采用如下技术方案：

一种无人机无动力应急返场在线航迹规划方法，包括如下步骤：

S1、给定位姿点，设定进入航向调整圆与航向对准圆滚转角，滚转半径，无人机利用几何规划法快速生成扩展2D Dubins航迹；

S2、根据无人机返场高度差与标准横程、下滑角约束，将3D Dubins航迹分为四种下滑类型，依次为：浅下滑类型、标准下滑类型、S-turn机动转弯类型和螺旋机动增程类型；

S3、在选择到着陆场后，航路在线规划管理单元初始化无人机初始与终端的位姿状态，并应用3D Dubins路径规划方法规划出一条三维航迹。

步骤S1所述给定位姿点，无人机航迹顺时针或逆时针开始，一共有四条路径。

所述四条路径中最短的路径为Dubins曲线。

步骤S2所述四种下滑类型满足的条件如下：

1)浅下滑类型：当无人机以最浅下滑角下滑，使得进场高度过低，满足

|h_e-h_s|≤L_setan|γ_max|+D_se (6)