圆形航线自动飞行系统技术方案

本发明专利技术公开了一种圆形航线自动飞行系统，包含指令输入模块、传感器模块、圆形航迹预测及引导模块和飞行控制模块，圆形航迹预测及引导模块用于结合指令输入模块输出的圆心的位置、半径、盘旋方向、速度和高度和传感器模块的输出的飞行器的经纬度信息、飞行器航迹角和航向角、飞行器姿态角、风向和风速、飞行器实时高度、飞行器空速和地速进行圆形航线以及进入圆形航线的进入路径的规划，再预测平滑的飞行轨迹，最后计算进入盘旋和盘旋转弯过程中的横滚指令，高度误差指令和速度误差指令，作为飞行控制模块的输入参数；飞行控制模块根据输入参数控制飞行器飞行。该发明专利技术可安装于所有类型的有人和无人飞行器，用于执行监视、搜索、侦查和救援任务。

Circular automatic flight system

The invention discloses a circular route automatic flight system, which comprises an instruction input module, a sensor module, a circular track prediction and guidance module and a flight control module. The circular track prediction and guidance module is used for the position, radius, circling direction, speed and height of the circle center output by combining the instruction input module with the flight control module. The output of the module includes latitude and longitude information, flight path angle and heading angle, flight attitude angle, wind direction and wind speed, real-time altitude, air speed and ground speed of the aircraft for circular route planning and entry path planning, and then predicts the smooth flight path, and finally calculates the entry spiral. The roll command, altitude error command and speed error command are used as the input parameters of the flight control module, and the flight control module controls the flight of the aircraft according to the input parameters. The invention can be installed on all types of manned and unmanned aerial vehicles for surveillance, search, reconnaissance and rescue missions.

【技术实现步骤摘要】
圆形航线自动飞行系统
本专利技术涉及一种飞行器的飞行控制及引导系统，特别涉及一种用于实现和保持围绕选定的固定或移动点的圆形飞行路径的自动飞行系统，属于飞行器引导及控制

技术介绍
预警机或搜救类飞行器在执行搜救、侦查等特殊任务时，通常期望围绕特定的区域(例如事故现场或正在搜索的区域)以圆形轨迹(地面投影)做空中盘旋飞行。这种飞行的其中一个好处是飞行器与该地区(或位置)保持一段距离，从而飞行器可以对目标区域提供持续的监视。传统的飞行圆形航迹的方式是当飞行器在手动控制下飞行时，无论是飞行器上的飞行机组人员还是远程操作飞行器的机组人员，可以通过观察指定区域或特定点来保持围绕该区域或特定点的所需圆形路径，并根据观察情况控制飞行器的圆形路径飞行。为了保持圆形路径，飞行员必须保持与特定点的恒定径向距离。当处于自动飞行状态时，实现这一目标的一种传统方法是飞行机组人员选择某一固定的倾斜角。由自动驾驶仪保持飞行器固定的倾斜姿态飞行，由于受风的影响，这种固定倾斜角的方法，在飞行一段时间以后，会沿风的方向有一定的偏移，并不能一直保持一个固定的圆形航迹飞行，实际航迹如图1所示。处于自动飞行状态时，实现这一目标的另一种传统方式是围绕目标区域或位置按照顺序建立一系列的航路点形成逼近于圆形的多边形，然后通过飞行到航路点，并以循环顺序将飞行器转向下一个航路点的方式引导飞行器飞行。该方法如图2所示。图中描绘了围绕目标区域201的大致圆形路径204，路径204由多个航路点和连接相邻航路点的飞行航段组成。如图所示，路径204包括标记为从A到H的八个航路点，根据需要路径204可以包括更多或更少的航点。飞行器从一个航点自动飞行到相邻的航点，并且路径可以设置为向左方向旋转或向右方向旋转。以向右方向盘旋飞行为例，飞行器可以在路径204的航路点A处开始，并且沿着航段202向航路点B飞行，在航路点B处，航空器经协调转弯转向航路点C，飞行器沿航段203飞行。飞行器继续飞行到随后的航路点沿着各个航段完成路径204，通过从航路点H飞行到航路点A沿航段205完成路径204.然后可以在路径204上继续飞行到航路点B，飞行器可以按照这个顺序一直循环下去。这种飞行方式可以修正一部分风的影响，但是由于飞行计划是以多边形代替圆形的方式定义的，受航线自动飞行时两点之间距离的限制，航路点个数不能太多，所以飞出的路径和圆形轨迹相差比较大。另外由于航路点坐标值需要机组人员计算，然后逐个输入到相应的设备中，所以这种飞行方式需要耗费机组人员大量的时间和精力，极大的增加了飞行机组人员的工作负担，并且降低了机组人员对目标区域的侦查能力。综上所述，目前这两种常用的圆形轨迹的自动飞行方法，都不能简单有效的实现圆形轨迹的自动飞行。
技术实现思路
为了在风的影响下能够以指定速度、高度围绕某一指定目标区域或位置做圆形航线飞行，在盘旋期间保持飞行器与该位置的距离为指定定值。本专利技术的专利技术目的在于提供一种圆形航线自动飞行系统，能够帮助飞行器自动的按照指定的圆心点、半径来规划航线，预测轨迹和垂直剖面，并结合相应传感器，计算飞行器的横滚指令、速度指令和高度指令，结合飞行器控制装置实现圆形航线的自动进入和自动保持规划的圆形航线飞行，在圆形航迹保持过程中，将飞行器维持在指定的高度和速度上，并且圆形航线自动飞行系统只需要圆心的经纬度、半径、目标速度和目标高度定义，从而极大的降低了飞行机组人员的工作负担，提高了飞行器的安全性，增强了机组人员对目标区域的侦查能力。本专利技术有助于所有类型的有人和无人飞行器的飞行，包括直升机，倾斜旋翼和固定翼飞行器。该系统特别适用于执行监视，搜索，救援和军事任务的飞行器。例如，用于运输伤员的医疗直升机在被派往事故现场时可以使用该系统。调度员将为直升机机组人员提供事故坐标，系统将使直升机能够在最快的时间内到达那里，而无需遵循地标。同样，执法直升机可以被派往指定地点，按照地面提供的坐标，通过该系统可以对该位置进行盘旋飞行。另一个例子是武装直升机或提供交通报告的直升机可以使用该系统，直升机能够快速轻松地到达指定的事故或交通位置，然后围绕该区域或目标做盘旋飞行。本专利技术的专利技术目的通过以下技术方案实现：一种圆形航线自动飞行系统，包含指令输入模块、传感器模块、圆形航迹预测及引导模块和飞行控制模块；所述指令输入模块用于接收需要盘旋的圆心位置、圆形航线的半径、盘旋方向、盘旋速度和盘旋高度，并输出给圆形航迹预测及引导模块；所述传感器模块用于采集飞行器实时参数，并输出给圆形航迹预测及引导模块；所述飞行器实时参数包含飞行器的经纬度信息、飞行器航迹角和航向角、飞行器姿态角、风向和风速、飞行器实时高度、飞行器空速和地速；圆形航迹预测及引导模块用于结合指令输入模块和传感器模块的输出进行圆形航线以及进入圆形航线的进入路径的规划，再根据进入路径以及圆形航线预测水平轨迹、飞行器高度剖面和飞行器速度剖面，最后根据飞行器高度剖面、飞行器速度剖面与飞行器实时参数的差值计算进入盘旋和盘旋转弯过程中的横滚指令，高度调指令和速度指令，作为飞行控制模块的输入参数；飞行控制模块根据输入参数控制飞行器飞行。优选地，指令输入模块可以为人机交互装置，圆心位置、圆形航线的半径、盘旋方向、盘旋速度和盘旋高度通过手工方式输入人机交互装置。指令输入模块也可以为接收机，用于接收地面站发送的圆心位置、圆形航线的半径、盘旋方向、盘旋速度和盘旋高度。优选地，传感器模块包含用于采集飞行器的经纬度信息的位置传感器、用于采集飞行器航迹角和航向角、飞行器姿态角的姿态传感器、用于采集风向和风速的风传感器、用于采集飞行器实时高度的高度传感器和用于采集飞行器空速和地速的速度传感器。优选地，圆形航迹预测及引导模块包含横滚通道，速度通道和高度通道；所述横滚通道执行以下程序步骤：步骤311)、根据指令输入模块提供的圆心的位置、半径和传感器模块提供的飞行器位置，规划圆形航线和进入路径的起始点和终止点，根据指令输入模块提供的盘旋方向确定飞行器沿圆形航线的旋转方向；步骤312)、根据规划完的圆形航线和进入路径预测飞行器飞行的水平轨迹；步骤313)、根据飞行器当前位置和水平轨迹预测飞行器在水平轨迹上的期望位置和期望航迹角；步骤314)、根据期望位置和期望航迹角计算控制律公式中所需偏航距、偏航角和标称滚转角；步骤315)、依据控制律公式生成横滚指令，然后输入至飞行控制模块中；步骤316)、计算飞行器当前位置到进入路径的终止点的距离A，作为速度通道和高度通道的输入变量；所述速度通道执行以下程序步骤：步骤321)、计算从现有空速开始，以一定的速度变化率，按照步骤312)预测的水平轨迹达到指令输入模块提供的速度所需的飞行距离B；步骤322)、将步骤316)输出的距离A与飞行距离B进行比较，若距离A大于飞行距离B，则将当前的空速作为所需空速输出到步骤324)中；步骤323)、如果距离A小于飞行距离B，则根据速度变化率及实时距离A产生所需空速输出到步骤324)中；步骤324)、根据所需空速与传感器模块提供的空速计算速度误差，产生速度指令输出给飞行控制模块；所述高度通道执行以下程序步骤步骤331)、计算从现有高度开始，以一定的高度变化率，按照步骤312)预测的水平轨迹达到指令输入模块提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种圆形航线自动飞行系统，包含指令输入模块、传感器模块、圆形航迹预测及引导模块和飞行控制模块，其特征在于：所述指令输入模块用于接收需要盘旋的圆心位置、圆形航线的半径、盘旋方向、盘旋速度和盘旋高度，并输出给圆形航迹预测及引导模块；所述传感器模块用于采集飞行器实时参数，并输出给圆形航迹预测及引导模块；所述飞行器实时参数包含飞行器的经纬度信息、飞行器航迹角和航向角、飞行器姿态角、风向和风速、飞行器实时高度、飞行器空速和地速；圆形航迹预测及引导模块用于结合指令输入模块和传感器模块的输出进行圆形航线以及进入圆形航线的进入路径的规划，再根据进入路径以及圆形航线预测水平轨迹、飞行器高度剖面和飞行器速度剖面，最后根据飞行器高度剖面、飞行器速度剖面与飞行器实时参数的差值计算进入盘旋和盘旋转弯过程中的横滚指令，高度调指令和速度指令，作为飞行控制模块的输入参数；飞行控制模块根据输入参数控制飞行器飞行。

【技术特征摘要】
1.一种圆形航线自动飞行系统，包含指令输入模块、传感器模块、圆形航迹预测及引导模块和飞行控制模块，其特征在于：所述指令输入模块用于接收需要盘旋的圆心位置、圆形航线的半径、盘旋方向、盘旋速度和盘旋高度，并输出给圆形航迹预测及引导模块；所述传感器模块用于采集飞行器实时参数，并输出给圆形航迹预测及引导模块；所述飞行器实时参数包含飞行器的经纬度信息、飞行器航迹角和航向角、飞行器姿态角、风向和风速、飞行器实时高度、飞行器空速和地速；圆形航迹预测及引导模块用于结合指令输入模块和传感器模块的输出进行圆形航线以及进入圆形航线的进入路径的规划，再根据进入路径以及圆形航线预测水平轨迹、飞行器高度剖面和飞行器速度剖面，最后根据飞行器高度剖面、飞行器速度剖面与飞行器实时参数的差值计算进入盘旋和盘旋转弯过程中的横滚指令，高度调指令和速度指令，作为飞行控制模块的输入参数；飞行控制模块根据输入参数控制飞行器飞行。2.根据权利要求1所述的一种圆形航线自动飞行系统，其特征在于所述指令输入模块为人机交互装置，圆心位置、圆形航线的半径、盘旋方向、盘旋速度和盘旋高度通过手工方式输入人机交互装置。3.根据权利要求1所述的一种圆形航线自动飞行系统，其特征在于所述指令输入模块为接收机，用于接收地面站发送的圆心位置、圆形航线的半径、盘旋方向、盘旋速度和盘旋高度。4.根据权利要求1所述的一种圆形航线自动飞行系统，其特征在于所述传感器模块包含用于采集飞行器的经纬度信息的位置传感器、用于采集飞行器航迹角和航向角、飞行器姿态角的姿态传感器、用于采集风向和风速的风传感器、用于采集飞行器实时高度的高度传感器和用于采集飞行器空速和地速的速度传感器。5.根据权利要求1所述的一种圆形航线自动飞行系统，其特征在于所述圆形航迹预测及引导模块包含横滚通道，速度通道和高度通道；所述横滚通道执行以下程序步骤：步骤311)、根据指令输入模块提供的圆心的位置、半径和传感器模块提供的飞行器位置，规划圆形航线和进入路径的起始点和终止点，根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛广龙，齐林，谢轶俊，孙晓敏，
申请(专利权)人：中国航空无线电电子研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31