一种无人机无动力应急返场在线航迹规划方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

An on-line route planning method for UAV emergency return

【技术实现步骤摘要】
一种无人机无动力应急返场在线航迹规划方法
本专利技术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。
技术介绍
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。>
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术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2DDubins航迹；S2、根据无人机返场高度差与标准横程、下滑角约束，将3DDubins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3DDubins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|he-hs|≤Lsetan|γmax|+Dse(6)其中：he为航向对准圆切出点高度，hs为返场初始点高度，Lse为直线段航程，Dse为航向调整圆与航向对准圆高度损失和，γmax为最浅下滑角；2)标准下滑类型：当无人机以标准的高度拓演法满足下滑性能要求，满足Lsetan|γmax|+Dse＜|he-hs|≤Lsetan|γmin|+Dse(7)其中：γmin为最陡下滑角；3)S-turn机动转弯类型：当返场高度差较大，无人机无法通过Dubins平面横程以最陡下滑角下滑到进场高度，但此时多余高度差又无法按最小盘旋半径与最陡下滑角进行整圆高度耗散，满足Lsetan|γmin|+Dse＜|he-hs|＜Lsetan|γmin|+2πRetan|γe|+Dse(13)4)螺旋机动增程类型：当无人机飞行高度太大，满足|he-hs|≥Lsetan|γmin|+2πRetan|γe|+Dse(18)其中：Re为转弯半径，γe为航向对准圆的下滑角。步骤S3的具体过程如下：首先，设定进入航向调整圆与航向对准圆滚转姿态，得到转弯半径，并进行2DDubins存在性判别；若横向平面无法构造Dubins几何航迹，则按单段航迹直接迫降；反之，按照标准下滑类型进行高度拓演，若返场直线段下滑角γl满足下滑角约束，则成功生成三维Dubins航迹；若返场直线段下滑角γl超出约束范围，则进入下一层级判别；若返场高度不满足，则生成螺旋机动增程航迹；若返场高度满足，则生成S-Turn机动转弯航迹。本专利技术的有益效果如下：1、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，设计了相应的在线航迹规划方法及三维制导律。2、本专利技术对在线航迹规划方法进行了在不同返场情况下的适应性仿真验证；对非线性模型预测控制制导算法进行抗风性仿真验证。通过研究得到所设计的基于Dubins曲线的在线航迹规划方法通过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无人机在高度、航向不确定以及终端约束、动力学约束下的航迹在线规划问题。3、本专利技术通过在选择到合适的着陆场后，通过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3DDubins路径规划方法规划出一条三维航迹。有效地解决了
技术介绍
中无法实现的应急返场等大空域下简单几何约束的航迹在线规划。附图说明图1是解析几何法求解平面Dubins曲线示意图。图1(a)是航向调整圆和航向对准圆的位置示意图；图1(b)是依据解析几何法求解的切线示意图；图1(c)是计算最短的轨迹即2DDubins轨迹示意图。图2是S-Turn机动转弯平面Dubins曲线示意图。图3是螺旋机动增程航迹示意图。图4是无人机应急返场航路管理示意图。图5是平面Dubins曲线(LSL与RSR)示意图。图6是平面Dubins曲线(LSR与RSL)示意图。图7是高度不确定下的3DDubins下滑航迹示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术创造做进一步详细说明。一种满足动力学约束、终端约束的三维航迹规划方法，包括：S1、2DDubins航迹的生成算法以及存在条件；S2、根据2DDubins发展满足约束的3DDubins航迹；S3、根据无人机返场高度差与标准横程、下滑角约束，具体将3DDubins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、螺旋机动增程类型；S4、在选择到合适的着陆场后，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3DDubins路径规划算法规划出一条可达的三维航迹。参照图1所示，所述的2DDubins的生成算法为：在给定的位姿点下，无人机航迹可以以顺时针或逆时针开始或结束，因此有四条可选路径。含有外公切线的路径可以从右边转向右边RSR或者左边转向左边LSL；含有内公切线的路径可以从右边转向左边RSL或从左边转右边LSR。D本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机无动力应急返场在线航迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、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；/nS2、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；/nS3、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。/n

【技术特征摘要】
1.一种无人机无动力应急返场在线航迹规划方法，其特征在于，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2DDubins航迹；
S2、根据无人机返场高度差与标准横程、下滑角约束，将3DDubins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3DDubins路径规划方法规划出一条三维航迹。


2.根据权利要求1所述的一种无人机无动力应急返场在线航迹规划方法，其特征在于，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。


3.根据权利要求2所述的一种无人机无动力应急返场在线航迹规划方法，其特征在于，所述四条路径中最短的路径为Dubins曲线。


4.根据权利要求1所述的一种无人机无动力应急返场在线航迹规划方法，其特征在于，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
|he-hs|≤Lsetan|γmax|+Dse
其中：he为航向对准圆切出点高度，hs为返场初始点高度，Lse为直线段航程，Dse为航向调整圆与航向对准圆高度损失和，γmax为最浅...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚正，王子安，陈永亮，白亚磊，王苏丹，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32