CN110764527A

CN110764527A - 一种无人机无动力应急返场在线航迹规划方法

Info

Publication number: CN110764527A
Application number: CN201910986595.5A
Authority: CN
Inventors: 龚正; 王子安; 陈永亮; 白亚磊; 王苏丹
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2020-02-07

Abstract

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。

Description

一种无人机无动力应急返场在线航迹规划方法

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***、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)

其中：h_e为航向对准圆切出点高度，h_s为返场初始点高度，L_se为直线段航程，D_se为航向调整圆与航向对准圆高度损失和，γ_max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

其中：γ_min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

4)螺旋机动增程类型：当无人机飞行高度太大，满足

其中：R_e为转弯半径，γ_e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γ_l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γ_l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。

本发明的有益效果如下：

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、本发明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、本发明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3D Dubins路径规划方法规划出一条三维航迹。有效地解决了背景技术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2D Dubins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3D Dubins下滑航迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明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、2D Dubins航迹的生成算法以及存在条件；

S2、根据2D Dubins发展满足约束的3D Dubins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、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3D Dubins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2D Dubins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。Dubins曲线定义为这四条路径中最短的路径。标准2D Dubins由航路点P_s→P₁→P₂→P_e构成，P_s为返场初始点，P₁为航向调整圆切出点，P₂为航向对准圆切入点，P_e为航向对准圆切出点，P₄为进场末端点。整个横向轨迹可划分为航向调整段P_s→P₁，返场直线段P₁→P₂，航向对准段P₂→P_e，进场直线段P_e→P₄。

采用解析几何法求解2D Dubins轨迹算法如下：

Step1：根据无人机始末速度V_t及需用滚转角φ_s和φ_e由式(1)确定航向调整圆的滚转半径R_s和航向对准圆的滚转半径R_e，再依据无人机始末位姿确定航向调整圆和航向对准圆的位置。

Step2：依据解析几何法求解{RSR，LSR，LSL，RSL}四条切线{T₁ T₂ T₃ T₄}。

Step3：由式(2)计算最短的轨迹即为2D Dubins轨迹，P_s→P_e段航程记为

P_s→P₁段航程记为L_Rs，P₁→P₂段航程记为L_se，P₂→P_e段航程记为L_Re。

其中：V_t为地速，g为重力加速度，

R_s为航向调整圆滚转半径，R_e航向对准圆滚转半径，

为P_s→P₁的方向偏角，

为P₂→P_e的方向偏角。

其中2D Dubins航迹存在条件为：

设计Dubins路径时如果无法找到切入点与切出点，则不存在2D Dubins路径，归纳为以下：

1、切入点与切出点重合，直线长度为零。

2、当一个转弯圆内含于另一个转弯圆，满足式(3)，则不存在外公切线。

3、当两个圆相交，满足式(4)，则不存在内公切线。

|R_e-R_s|＜|c| (3)

|R_e+R_s|＜|c| (4)

其中：c为中线距离。

3D Dubins航迹设计算法为：

假设无人机推力损失后，能以恒定的滚转姿态协调转弯，并以恒定下滑角飞行。则三维Dubins航迹可以在二维Dubins平面航迹的基础上进行高度推演。受横向机动航程及下滑性能约束，无人机的下滑坡度受限。当无人机初始高度过低(过高)时，常规的高度推演法则无法覆盖这些场景下的应急航迹规划。因此，提出无动力飞行性能约束的在线航迹规划方法，通过增加或缩小横程等手段解决不同高度、不同进场航向角的应急航迹规划问题。

D_se＝L_Rstan|γ_s|+L_Retan|γ_e| (5)

其中：D_se为航向调整圆与航向对准圆高度损失和；γ_s为航向调整圆的下滑角；γ_e为航向对准圆的下滑角。

将3D Dubins航迹分为四种下滑类型的算法为：

根据无人机返场高度差与标准横程、下滑角约束γ∈[γ_min γ_max](γ_min为最陡下滑角，γ_max为最浅下滑角)的对应关系，分成四种下滑类型：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。

|h_e-h_s|≤L_setan|γ_max|+D_se (6)

其中：h_e为航向对准圆切出点高度，h_s为返场初始点高度，L_se为P₁→P₂段航程，D_se为航向调整圆与航向对准圆高度损失和，γ_max为最浅下滑角；

其中：γ_min为最陡下滑角；

假设无人机在最初与最终转弯时，下滑角均按最佳下滑性能(最小高度损失航迹)设计，则平衡滑翔条件下其滚转角与下滑角满足式(8)。

其中：V_s为滑翔下沉率，V_t/V_s≈L/D，L/D为升阻比；φ_s为航向调整圆滚转角，φ_e为航向对准圆滚转角。

则航向调整段P_s→P₁高度损失Δh_s和航向对准段P₂→P_e高度损失Δh_e为：

航向调整圆切出点P₁的高度h₁与航向对准圆切入点P₂的高度h₂为：

则返场直线段的下滑角γ_l为：

标准2D Dubins航迹横程为对应高度H为式(12)。

H＝L_Rstan|γ_s|+L_Retan|γ_e|+L_setan|γ_l| (12)

3)S-turn机动转弯类型：参照图2所示，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

针对末端能量管理，选择动压-高度预案后，以蛇形机动原理与轨迹推演在线优化生成满足过载、动压等约束的轨迹，通过在初始转弯圆处增加额外的反向相切转弯圆(当初始圆为左(右)转圆时，则***右(左)转圆)以增加Dubins平面航迹，从而使高度拓演满足式(13)。新的平面Dubins航迹集合为：{RLSR RLSL LSLR LSRL}，P_s→P₁为航向调整段，P₂→P₃→P_e为航向对准段。其解算算法如下：

1、设终端点P_e绕航向对准圆C_e(R_e)反转

角度后***反切圆，切点记为P₃，此亦是新的终端点，如式(14)。新航向对准圆为C₁(R_e)，其与初始点P_s组成新的标准2D Dubins平面航迹{P_s P₁ P₂ P₃}。

其中：C_e为航向对准圆，

为反转角度；

2、机动转弯扩展的Dubins平面航迹航程

为式(15)。为减小自变量，假定返场直线段P₁→P₂按最陡下滑角下降，则拓演的高度

为式(16)：

其中：

为P_s→P₃标准2D Dubins航迹横程；

3、针对初始转弯角

的求解，本封面采用数值解法(二分法)，使得不等式(17)成立，求解

其中：

为初始转弯角数值解，ε为允许误差；

4)螺旋机动增程类型：参照图3所示，当无人机飞行高度太大，满足

采用在航向对准段实施S-turn机动转弯以及在末端实施螺旋机动的组合方式耗散多余的高度。P_s→P₁→P₂→P₃→P_e′为S-turn机动转弯段，P_e′→P_e为由k个整圆构成的螺旋轨迹。

由式(19)获取螺旋机动高度耗散的整圆圈数k，P_e′→P_e螺旋段耗散的高度为2πkR_etan|γ_e|。

其中为向下取整函数。

新的末端点为P_e′，其与初始点P_s的高度差满足式(20)。新的终端点高度h_e′满足式(21)P_s→P₁→P₂→P₃→P_e′组成新的S-turn机动转弯段。按照S-turn机动转弯类型解算剩余航迹信息。

h_e′＝h_e+2πkR_etan|γ_e| (21)

参照图4所示，无人机应急返场航路管理方法为：

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3D Dubins路径规划算法规划出一条可达的三维航迹。

首先，设定进入航向调整圆与航向对准圆滚转姿态，由式(1)得到转弯半径，并由式(3)与式(4)进行2D Dubins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，按照算法一进行高度拓演，若返场直线段下滑角γ_l满足下滑角约束，则成功生成三维Dubins航迹。若γ_l超出约束范围，则进入下一层级判别。若返场高度不满足式(9)，则按算法二生成螺旋机动增程航迹；若返场高度满足式(9)，则按算法三生成S-Turn机动转弯航迹。

算法一：标准3D Dubins航迹

1)设置航向调整圆滚转姿态φ_s和航向对准圆滚转姿态φ_e，由平衡滑翔条件式(8)得到最佳下滑角γ_s和γ_e，设置进场末端点P₄的下滑角γ_f，γ_f限制在[γ_min，γ_max]内。

2)由式(1)计算转弯半径R_s和R_e，并给定进场段水平距离|d_f|。

3)由P₄＝{n_f，e_f，h_f，γ_f}和|d_f|得航向对准圆切出点位姿

4)按3D Dubins标准下滑类型计算出返场直线段下滑角γ_l，以及P_1，，P₂位置。

5)如果(γ_min＜γ_l＜γ_max)返回成功，P＝{P_s，P₁，P₂，P_e，P₄}。

6)如果γ_l太浅(γ_l＞γ_max)，则反复减小|d_f|，并且在γ_max范围内使γ_s，γ_e，γ_f增加，回到步骤3)。

7)否则返回失败。

算法二：S-turn机动转弯航迹

1)由于γ_l太陡(γ_l＜γ_min)，按算法一生成轨迹失败。

2)***中间调整圆，按S-turn机动转弯航迹类型，二分法遍历以固定间隔的航向角

满足不等式约束(17)，得到航向角

与中间调整圆切出点P₃。

3)以P₃为新的末端点，按3D Dubins标准下滑类型计算出返场直线段下滑角γ_l，航向调整圆切出点P₁，中间调整圆切入点P₂。

4)整合各航迹段位姿信息P＝{P_s，P₁，P₂，P₃，P_e，P₄}，返回成功。

算法三：螺旋机动增程航迹

1)若不满足高度判别式(18)，按螺旋线扩展法，通过式(19)获取航向对准圆的整数圈数k，由式(21)得新的终端点的高度h_e′。

2)确定新的初始点P_s与末端点P_e′，按S-turn机动转弯航迹生成算法，重复算法二步骤2)至步骤4)获取航迹P_s→P₁→P₂→P₃→P_e′。

3)整合各航迹段特征点的位姿信息P＝{P_s，P₁，P₂，P₃，P_e′，P_e}，返回成功。

具体实例方案如下：通过在末端转弯圆处增加额外的反向相切转弯圆(当航向对准圆为左(右)转圆时，则***右(左)转圆)以增加Dubins平面航迹。新的平面Dubins航迹集合为：{RLSR RLSL LSLR LSRL}。P_s→P₁为航向调整段，P₂→P₃→P_e为航向对准段。

S1. 2D Dubins曲线适应性轨迹

参照图1、图5、图6所示，用2D Dubins曲线规划方法规划一条从初始位置

到终端位置

的最短Dubins路径。

设置初始航向调整圆与末端航向对准圆的半径为

R_s＝R_e＝320m

图5中曲线P_s→P₁→P₂→P_e构成右圆对右圆段轨迹RSR，曲线P_s→P₁′→P′₂→P_e构成左圆对左圆段轨迹LSL，图6曲线P_s→P₁″→P″₂→P_e构成右圆对左圆段轨迹RSL，曲线P_s→P₁″′→P″′₂→P_e构成左圆对右圆段轨迹LSR，得到这四段轨迹中最短2D Dubins轨迹RSR。

S2. 3D Dubins航迹适应性轨迹

参照图3、图4、图7，展示了初始点P_s，P_s′，P″_s在不同高度，同一航向角到达终端点P_e的下滑轨迹。

设置初始高度为

h_s＝3000m，h′_s＝1000m，h″_s＝200m

初始航向角为

滚转半径为

R_s，R_e＝620m

通过应急返场航路管理单元规划出三条机动轨迹。P_s→P₁→P₂→P₃→P_e段轨迹为螺旋机动扩展轨迹，其中航向调整段轨迹P_s→P₁绕顺时针旋转1.7346rad，直线段轨迹P₁→P₂下滑角为-3.3959°，中间调整段轨迹P₂→P₃绕顺时针旋转2.9209rad，航向对准段轨迹P₃→P_e绕H_ac圆逆时针旋转3个整圆。P_s′→P₁′→P′₂→P′₃→P′_e段轨迹为S-turn机动转弯轨迹，其中航向调整段轨迹P′_s→P₁′绕顺时针旋转1.7181rad，直线段轨迹P₁′→P′₂下滑角-5.0351°，中间调整段轨迹P′₂→P′₃绕顺时针旋转3.2681rad，航向对准段轨迹P′₃→P′_e绕H_ac圆逆时针旋转2.9762rad。P″_s→P₁″→P″₂→P″₃→P″_e段轨迹为标准机动轨迹，其中航向调整段轨迹P″_s→P₁″航向绕顺时针旋转3.3151rad，返场直线段轨迹P₁″→P″₂高度下滑角为-2.8186°，航向对准段轨迹绕H_ac圆逆时针旋转1.305rad。三种机动轨迹转弯段的下滑角均为-10°，且由于初始航向相同使得三种机动轨迹具有相同的航向对准Hac圆。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围以权利要求的保护范围为准。

Claims

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：

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：

|h_e-h_s|≤L_setan|γ_max|+D_se

其中：γ_min为最陡下滑角；

4)螺旋机动增程类型：当无人机飞行高度太大，满足

其中：R_e为转弯半径，γ_e为航向对准圆的下滑角。

5.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2D Dubins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γ_l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γ_l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。