CN112416017B - 一种舰载无人直升机返航进场的航向引导控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人机飞行控制技术领域，涉及一种舰载无人直升机返航进场的航向引导控制方法。将对准舰船航向的过程引导轨迹分为2个圆、4个点和1条切线，无人直升机从初始位置P1点开始，经过一段圆弧到达第一圆弧切出点P2点，沿切线飞行至第二圆弧切入点P3后再经过一段圆弧，无人直升机飞行至进近下滑初始点P4点，并最终对准舰船航向前飞。

Description

一种舰载无人直升机返航进场的航向引导控制方法

技术领域

本发明属于无人机飞行控制技术领域，涉及一种舰载无人直升机返航进场的航向引导控制方法。

背景技术

无人直升机自主着舰过程可以描述为:着舰导引***根据无人直升机初始时刻的位置、航向、速度，生成着舰引导轨迹，控制无人直升机执行返航进场、进近下滑，将无人直升机引导至舰船甲板正上方，待无人直升机接收到自主着舰指令，飞行控制***控制无人直升机开始着舰。并启动甲板运动预估及补偿***，当出现理想着舰时机后，控制无人直升机快速完成着舰。

返航进场的目的是将无人直升机从任意位置引导至舰船正后方一定位置并对准舰船航向。目前已知的控制方法多为固定翼无人机引导控制方法，其返航进场是确定好引导基准轨迹并根据误差调整位置实现引导；另一类专利是基于不同引导设备获取机舰相对引导信息，主要是介绍引导设备如何实现引导信息的获取。

详细介绍无人直升机返航进场如何对准舰船航向的发明并未出现，本发明着重解决无人直升机返航进场对准舰船航向的问题。

发明内容

本发明的目的：针对背景技术中所涉及的舰载无人直升机返航进场对准舰船航向的问题，提供一种舰载无人直升机返航进场的航向引导控制方法。

一种舰载无人直升机返航进场的航向引导方法，所述方法将无人直升机返航进场的航向引导轨迹分为：第一圆弧、第二圆弧、四个点和一条切线；所述四个点分别为初始位置P1点、第一圆弧切出点P2点、第二圆弧切入点P3点和下滑初始点P4；

所述初始位置P1点和第一圆弧切出点P2点分别位于第一圆弧的两个端点，所述第二圆弧切入点P3点和下滑初始点P4分别位于第二圆弧的两个端点；所述切线为经过第一圆弧切出点P2点和第二圆弧切入点P3点的第一圆弧与第二圆弧的公切线；

无人直升机从初始位置P1点开始，经过第一圆弧到达第一圆弧切出点P2 点，沿切线飞行至第二圆弧切入点P3点后经过第二圆弧，无人直升机飞行至进近下滑初始点P4。

进一步，根据已知舰船位置坐标：经度S_lon、纬度S_lat、舰船航向ψ_s、舰船行驶速度V_s和进近下滑过程所需距离L，并根据以下公式确定下滑初始点P4坐标；

其中V₀：无人直升机当前速度，H₀：无人直升机当前高度，H_s：目标高度，V_m：无人直升机当前速度，H_dot：无人直升机下降速度，L_H：悬停跟进距离。

下滑初始点P4坐标根据以下公式计算，

P4点经度：

P4点纬度：

进一步，以下滑初始点P4和舰船位置连线将水平空间划分为左半平面和右半平面；

根据当前无人直升机所在半平面，确定过P4点第二圆弧位置，半径为

第二圆弧圆心C1为求与P4点距离为R、方向为90°或-90°的坐标点；C1 点坐标根据以下公式确定，

C1点经度：

C1点纬度：

进一步，根据无人直升机初始航向与舰船航向的偏差，将无人直升机航向分为驶离舰船和驶近舰船两种情况；

若无人直升机位于右半平面且无人直升机驶离舰船，则无人直升机沿第一圆弧顺时针飞行，切线为第一圆弧和第二圆弧的外公切线；

若无人直升机位于右半平面且无人直升机驶近舰船，则无人直升机沿第一圆弧逆时针飞行，切线为第一圆弧和第二圆弧的内公切线；

若无人直升机位于左半平面且无人直升机驶离舰船，则无人直升机沿第一圆弧逆时针飞行，切线为第一圆弧和第二圆弧的外公切线；

若无人直升机位于左半平面且无人直升机驶近舰船，则无人直升机沿第一圆弧顺时针飞行，切线为第一圆弧和第二圆弧的外公切线。

进一步，根据无人直升机沿第一圆弧飞行方向、无人直升机当前位置坐标：经度：ac_lon，纬度：ac_lat、第二圆弧半径：

第一圆弧圆心C2坐标根据以下公式计算；第一圆弧半径与第二圆弧半径相同；

C2点经度：

C2点纬度：

进一步，根据第一圆弧和第二圆弧的圆心坐标，求解两圆心连线段S的长度L_s和方向ψ_L；具体计算公式如下：

/>

ψ_L＝tan^-1(y,x)*57.3

进一步，若切线为外公切线，则长度和航向与两圆心连线S的长度和方向相同；

进一步，若切线为内公切线，则航向与两圆心连线S方向的偏差ψ根据半径R与两圆心连线的一半长度的反正切求得；内公切线长度L_n跟进勾股定理求得，计算公式如下，

有益效果：

本发明设计了无人直升机返航进场初始区域划分，简化了返航进场对准航向逻辑判定；

本发明提出了一套无人直升机在任意初始位置返航对准舰船航向的引导控制方法，简化了判断逻辑，提高了无人直升机返航进场的成功率；

在某型无人直升机着舰引导试飞试验中，通过该方法成功将无人直升机引导回收。具体试验方法：无人直升机起飞离舰，遥调任意航向、速度、高度飞行一段距离，投入返航进场控制，引导无人直升机返航。

附图说明

图1引导对准航向过程示意图；

图2进近下滑段示意图；

图3平面划分及转向示意图；

图4 P2—P3段长度及航向计算示意图

图5某型无人直升机着舰引导试飞试验航迹图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明所涉及的设计方法做进一步详细说明。

一种舰载无人直升机返航进场的航向引导方法，将对准舰船航向的过程引导轨迹分为2个圆、4个点和1条切线，如图1，无人直升机从初始位置P1点开始，经过一段圆弧到达第一圆弧切出点P2点，沿切线飞行至第二圆弧切入点P3后再经过一段圆弧，无人直升机飞行至进近下滑初始点P4点，并最终对准舰船航向前飞。

具体实施步骤：

步骤1)：根据已知舰船位置、舰船航向、舰船速度确定进近下滑起点P4 坐标；具体计算过程：如图2，进近下滑过程需要距离为：

其中V₀：无人机当前速度，H₀：无人直升机当前高度，H_s：目标高度，V_m：无人直升机当前速度，V_s：舰船行驶速度，H_dot：无人直升机下降速度， L_H：悬停跟进距离。计算下滑初始点P4坐标的具体公式如下：P4点经度：/>

P4点纬度：/>

其中S_lon：舰船经度，S_lat：舰船纬度，ψ_s：舰船航向。

步骤2)：在俯视图上，通过P4点和舰船位置S0连线将水平空间分成左半平面和右半平面，如图3所示；

步骤3)：首先依据当前无人直升机所在半平面，确定过P4点圆位置，半径R根据飞行速度自动解算，公式

那么该圆心即为求与P4点距离为R、方向为90°或-90°的C1坐标点，可依据如下公式求得：C1点经度：/>

C1点纬度：/>

步骤4)：通过无人直升机初始航向和舰船航向的偏差，将所有情况归纳为无人直升机驶离舰船和无人直升机驶近舰船两种情况；

步骤5)：在右半平面：背离选用顺时针圆，取外公切线为飞行路径；驶近选用逆时针圆，取内公切线为飞行路径；在左半平面：背离选用逆时针圆，取外公切线为飞行路径；驶近选用顺时针圆，取内公切线为飞行路径，如图3；

步骤6)：依据步骤5中确定的圆的转向及当前无人直升机位置、半径R可确定过P1点圆心坐标；解算方法参考步骤3，将P4点换为P1点即可求得过P1 点的圆心坐标C2；C2点经度：

C2点纬度：

步骤7)：如图4依据两个圆心坐标(C1、C2)及半径R，根据已知算法可求得两个圆心连线段的长度S和方向ψ_L。

ψ_L＝tan^-1(y,x)*57.3。外公切线长度和航向与S相同，内公切线与S的航向偏差ψ依据R和S一半长度的反正切求得

内公切线的长度可通过勾股定理求得/>

步骤8)：通过上述步骤将引导路径上需要明确的点、距离、航向求得。两次调用转弯前飞控制策略实现飞行轨迹跟踪，对准舰船航向，实现返航进场。转弯前飞飞行策略描述为：无人直升机前飞过程中，收到转弯前飞指令后，按照指定转弯速率进行角速率控制，实时判断与目标航向的偏差，当其绝对值小于给定阈值后，接入航向跟踪控制，无人直升机转前飞，完成转弯前飞、动作。

在某型无人直升机着舰引导试飞试验中，通过该方法成功将无人直升机引导回收。具体试验方法：无人直升机起飞离舰，遥调任意航向、速度、高度飞行一段距离，投入返航进场控制，引导无人直升机返航。其试飞试验飞行航迹结果见附图5。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原来的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种舰载无人直升机返航进场的航向引导控制方法，其特征在于：

所述方法将无人直升机返航进场的航向引导轨迹分为：第一圆弧、第二圆弧、四个点和一条切线；所述四个点分别为初始位置P1点、第一圆弧切出点P2点、第二圆弧切入点P3点和下滑初始点P4；

所述初始位置P1点和第一圆弧切出点P2点分别位于第一圆弧的两个端点，所述第二圆弧切入点P3点和下滑初始点P4分别位于第二圆弧的两个端点；所述切线为第一圆弧与第二圆弧的公切线，且所述公切线经过第一圆弧切出点P2点和第二圆弧切入点P3点；

无人直升机从初始位置P1点开始，经过第一圆弧到达第一圆弧切出点P2点，沿切线飞行至第二圆弧切入点P3点后经过第二圆弧，无人直升机飞行至进近下滑初始点P4。

2.根据权利要求1所述的一种舰载无人直升机返航进场的航向引导控制方法，其特征在于：下滑初始点P4坐标为：

根据已知舰船位置坐标：经度S_lon、纬度S_lat、舰船航向ψ_s、舰船行驶速度V_s和进近下滑过程所需距离L，并根据以下公式确定下滑初始点P4坐标；

其中V₀：无人直升机当前速度，H₀：无人直升机当前高度，H_s：目标高度，V_m：无人直升机当前速度，H_dot：无人直升机下降速度，L_H：悬停跟进距离。

下滑初始点P4坐标根据以下公式计算，

P4点经度：

P4点纬度：

3.根据权利要求2所述的一种舰载无人直升机返航进场的航向引导控制方法，其特征在于：第二圆弧位置为：

以下滑初始点P4和舰船位置连线将水平空间划分为左半平面和右半平面；

根据当前无人直升机所在半平面，确定过P4点第二圆弧位置，半径为

第二圆弧圆心C1为求与P4点距离为R、方向为90°或-90°的坐标点；C1点坐标根据以下公式确定：

C1点经度：

C1点纬度：

4.根据权利要求3所述的一种舰载无人直升机返航进场的航向引导控制方法，其特征在于：

根据无人直升机初始航向与舰船航向的偏差，将无人直升机航向分为驶离舰船和驶近舰船两种情况；

若无人直升机位于右半平面且无人直升机驶离舰船，则无人直升机沿第一圆弧顺时针飞行，切线为第一圆弧和第二圆弧的外公切线；

若无人直升机位于右半平面且无人直升机驶近舰船，则无人直升机沿第一圆弧逆时针飞行，切线为第一圆弧和第二圆弧的内公切线；

若无人直升机位于左半平面且无人直升机驶离舰船，则无人直升机沿第一圆弧逆时针飞行，切线为第一圆弧和第二圆弧的外公切线；

若无人直升机位于左半平面且无人直升机驶近舰船，则无人直升机沿第一圆弧顺时针飞行，切线为第一圆弧和第二圆弧的外公切线。

5.根据权利要求4所述的一种舰载无人直升机返航进场的航向引导控制方法，其特征在于：第一圆弧位置为：

根据无人直升机沿第一圆弧飞行方向、无人直升机当前位置坐标：经度：ac_lon，纬度：ac_lat、第二圆弧半径：

第一圆弧圆心C2坐标根据以下公式计算；第一圆弧半径与第二圆弧半径相同；

C2点经度：

C2点纬度：

6.根据权利要求5所述的一种舰载无人直升机返航进场的航向引导控制方法，其特征在于：根据第一圆弧和第二圆弧的圆心坐标，求解两圆心连线段S的长度L_s和方向ψ_L；具体计算公式如下：

ψ_L＝tan^-1(y,x)*57.3。

7.根据权利要求6所述的一种舰载无人直升机返航进场的航向引导控制方法，其特征在于：

若切线为外公切线，则长度和航向与两圆心连线S的长度和方向相同。

8.根据权利要求6所述的一种舰载无人直升机返航进场的航向引导控制方法，其特征在于：

若切线为内公切线，则航向与两圆心连线S方向的偏差ψ根据半径R与两圆心连线的一半长度的反正切求得；内公切线长度L_n跟进勾股定理求得，计算公式如下：

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