一种无人机无动力应急返场航迹规划与控制方法及系统与流程

【】本发明涉及无人机控制，尤其涉及一种无人机无动力应急返场航迹规划与控制方法及系统。

背景技术

0、背景技术：

1、目前，无人机已被广泛应用到各行各领域，但是由发动机故障导致的无人机事故时有发生。当无人机出现发动机故障导致发动机停车时，无人机就会失去动力驱动，若没有合理的无动力滑行策略或者经验丰富的操作手，无人机极易发生坠机，引发飞行事故。由操作手操作无人机应急返场，不仅需要操作手具备娴熟的无人机操作控制技术，还需要其拥有丰富的飞行控制知识和经验，而培养这样顶尖操作手需要漫长时间和巨额投入。。

2、因此，有必要研究一种无人机无动力应急返场航迹规划与控制方法及系统来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

技术实现思路

0、技术实现要素：

1、有鉴于此，本发明提供了一种无人机无动力应急返场航迹规划与控制方法及系统，当发动机出现故障时，能够自主设计合理的返场轨迹和控制策略使得无人机能安全着陆，全程无需人为干预，便可实现无人机无动力情况下的安全返场，避免了人工干预导致无人机飞行速度过低或者过高问题，也极大地降低了地面操作人员应急处置负担。

2、一方面，本发明提供一种无人机无动力应急返场航迹规划与控制方法，用于无人机发动机发生故障或停止工作情况，所述航迹规划与控制方法包括以下步骤：

3、s1：根据当前无人机信息和机场信息获取dubins返场航迹；

4、s2：根据dubins返场航迹获取返场高度阈值；

5、s3：根据当前无人机信息获取当前无人机飞行高度，通过当前无人机飞行高度和返场高度阈值获取第一返场指令；

6、s4：根据当前无人机信息获取能量调整段信息，通过能量调整段信息、当前无人机飞行高度和第一返场指令获取第二返场指令；

7、s5：根据当前无人机信息获取当前无人机航向和着陆窗口要求，根据当前无人机飞行高度、无人机航向和着陆窗口要求获取第三返场指令；

8、s6：控制无人机按dubins返场航迹进行自主着陆。

9、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s1中当前无人机信息包括无人机当前的经纬度位置、飞行高度、飞行速度、能量管理信息、飞行航向和机场航向。

10、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s1中dubins返场航迹获取方法具体为：根据无人机当前的经纬度位置、飞行速度、能量调整点位置和机场航向，计算4种不同dubins构型的路径长度，选择路径长度最短的构型作为无人机返场的dubins返场航迹。

11、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述返场高度阈值的具体计算方式为：

12、

13、其中：hreturn为无人机返场所需高度；δχ为生成dubins返场航迹的总计调整航向；r为无人机转弯半径；γturn为无人机转弯飞行时的航迹倾角；lline为生成dubins返场航迹的直线段距离；γline为无人机直线飞行时的航迹倾角；hb为能量调整段的高度下限；δh为高度安全余量。

14、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s3中第一返场指令包括：

15、当当前无人机飞行高度不小于返场高度阈值时，进行返航飞行，更新计算返场高度阈值；

16、当当前无人机飞行高度小于返场高度阈值时，规划返回备降场的dubins返场航迹，计算返回备降场的返场高度阈值。

17、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s4中第二返场指令包括：

18、当当前无人机飞行高度不小于返场高度阈值、高度安全余量、能量调整段的高度下限以及无人机直线飞行至机场一端的能量调整点所需高度之和时，进行返航飞行；

19、当当前无人机飞行高度小于返场高度阈值、高度安全余量、能量调整段的高度下限以及无人机直线飞行至机场一端的能量调整点所需高度之和时，规划返回备降场的dubins返场航迹，计算返回备降场的返场高度阈值；

20、其中无人机直线飞行至机场一端的能量调整点所需高度的计算方式如下：

21、δhline＝llinetanγline；

22、其中：lline为生成dubins返场航迹的直线段距离；γline为无人机直线飞行时的航迹倾角，预设为无人机直线飞行时的最浅下滑角。

23、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s5中着陆窗口要求包括无人机飞行高度着陆要求和无人机飞行航向着陆要求。

24、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s5中第三返场指令具体包括：

25、当无人机飞至能量管理圆柱与着陆轨迹相切点附近时，判断无人机当前高度，若当前高度小于能量管理段高度上边界，则直接进入着陆段；否则，进行高度调整，进行绕能量管理圆柱圆弧飞行，能量管理段上下边界点之间的高度设定为大于无人机绕圆柱一圈时高度的减小量，能量管理段进入点和出能量管理段上边界之间高度设定为小于无人机绕圆柱一圈时高度的减小量。

26、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述s6中着陆的控制方法具体为按预设的纵向控制律、横向控制律和方向舵控制律进行无人机控制。

27、如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种无人机无动力应急返场航迹规划与控制系统，所述航迹规划与控制系统包括：

28、返场航迹获取模块，用于根据当前无人机信息和机场信息获取dubins返场航迹；

29、返场高度阈值获取模块，用于根据dubins返场航迹获取返场高度阈值；

30、第一返场指令获取模块，用于根据当前无人机信息获取当前无人机飞行高度，通过当前无人机飞行高度和返场高度阈值获取第一返场指令；

31、第二返场指令获取模块，用于根据当前无人机信息获取能量调整段信息，通过能量调整段信息、当前无人机飞行高度和第一返场指令获取第二返场指令；

32、第三返场指令获取模块，用于根据当前无人机信息获取当前无人机航向和着陆窗口要求，根据当前无人机飞行高度、无人机航向和着陆窗口要求获取第三返场指令；

33、着陆控制模块，用于控制无人机按dubins返场航迹进行自主着陆。

34、与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

35、1)本发明当发动机停车后，无人机可根据当前自身状态与机场信息，自主判断是进行返场飞行还是备用场地迫降，自主规划返回机场或者备用场地的航迹，并控制无人机按规划航迹飞行；

36、2)本发明不依赖地面操作人员，减少了应急着陆的响应时间，提高了应急着陆的安全性与可靠性，与现有技术相比，本发明的技术方案可以自主规划合理的返场和着陆航迹，可以保证无人机以合理的速度和姿态着陆；

37、3)本发明的技术方案对气象条件有一定的容忍能力，即便出现顺逆风过大的情况导致返场能量不足的情况，仍可以自主选择其他备降场进行迫降。

38、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。