一种低空无人机着陆航迹规划方法及系统与流程

本发明属于无人机航迹规划，具体涉及一种低空无人机着陆航迹规划方法及系统。

背景技术：

1、低空无人机执行自主着陆时，通常需要根据无人机当前飞行状态和目标着陆点生成进场及最终下滑航迹，并在飞行过程中处理其他航空器可能引起的交通冲突。最终下滑段的航点高度和目标速度通常按照着陆过程预先规划，航迹调整是否改变这些纵向规划状态，会直接影响后续继续着陆所依据的下滑条件。

2、现有着陆航迹冲突处理方案在最终下滑段发生交通冲突时，可能需要重新生成较大范围的航迹。该处理方式容易改变原规划航点的高度或目标速度，使避让后的航迹难以保持原有最终下滑状态；若受当前空间、机动能力或交通条件限制，重新生成的避让航迹还可能不能满足继续着陆所需的安全条件。

3、此外，最终下滑段中的复飞需求既可能在预设复飞决策点处经完整校验后产生，也可能在复飞决策点之外的最终下滑段位置因突发重度风险而产生。若仅在触发后统一重新规划复飞航迹，会增加固定决策点处本可避免的在线计算环节；若仅配置固定决策点对应的预生成复飞航迹，又难以覆盖非固定位置必须立即复飞的情形。因此，需要一种能够按交通冲突程度选择受限侧向避让或复飞，并针对固定决策点和非固定位置分别提供复飞航迹的着陆航迹规划方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低空无人机着陆航迹规划方法及系统，以解决最终下滑段交通冲突处理容易改变原规划纵向下滑状态，以及复飞航迹取得方式不能同时适应固定复飞决策点和非固定位置突发风险的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种低空无人机着陆航迹规划方法，包括：

4、获取无人机的飞行状态信息和目标着陆点信息，生成所述无人机的主着陆航迹，所述主着陆航迹包括最终下滑段，所述最终下滑段包括多个基准航点，各所述基准航点至少具有水平位置、高度和目标速度；

5、在所述主着陆航迹上设置至少一个复飞决策点，针对各所述复飞决策点预先生成对应的复飞航迹，并建立所述复飞决策点与对应复飞航迹之间的关联关系；

6、获取目标航空器的预测航迹，根据所述主着陆航迹和所述预测航迹进行冲突预测，确定交通冲突是否发生于所述最终下滑段及所述交通冲突的冲突程度；

7、当根据所述冲突预测确定未发生交通冲突时，将所述主着陆航迹确定为候选待执行航迹；

8、当所述交通冲突发生于所述最终下滑段且所述冲突程度满足预设侧向避让条件时，基于所述最终下滑段中与所述交通冲突对应的冲突航段内的至少部分基准航点生成对应的避让航点，各所述避让航点相对于对应基准航点仅改变水平位置，并保持对应基准航点的原规划高度和目标速度，以形成偏离所述主着陆航迹后重新收敛至所述主着陆航迹的侧向避让航迹；判断所述侧向避让航迹是否满足预设安全继续着陆条件，并在满足时将所述侧向避让航迹确定为所述候选待执行航迹；

9、当所述交通冲突发生于所述最终下滑段且所述冲突程度满足预设复飞条件，或者在所述冲突程度满足所述预设侧向避让条件时所述侧向避让航迹不满足所述预设安全继续着陆条件时，触发复飞并停止沿所述最终下滑段继续着陆；

10、当触发复飞时所述无人机位于任一所述复飞决策点处时，调用与该复飞决策点关联的复飞航迹，并将所调用的复飞航迹确定为所述候选待执行航迹；

11、当触发复飞时所述无人机未处于任一所述复飞决策点处时，以触发复飞时所述无人机的当前位置、当前空速和当前机械能状态作为初始基准，实时生成应急复飞航迹，并将所述应急复飞航迹确定为所述候选待执行航迹；

12、对所述候选待执行航迹进行随动安全校验，并在所述候选待执行航迹通过所述随动安全校验时，将所述候选待执行航迹作为所述无人机的待执行航迹输出。

13、进一步地，所述生成所述无人机的主着陆航迹，包括：

14、将所述最终下滑段对应的风场分解为沿所述最终下滑段飞行方向的纵向风分量和垂直于所述最终下滑段飞行方向的横向风分量；

15、根据所述纵向风分量修正所述最终下滑段的纵向下滑剖面，根据所述横向风分量在所述最终下滑段形成风场补偿侧向偏置，并根据所述纵向风分量对所述最终下滑段的减速起始位置进行调整，以生成风场自适应的所述主着陆航迹；

16、所述风场补偿侧向偏置用于确定所述最终下滑段中各基准航点的原规划水平位置。

17、进一步地，所述根据所述主着陆航迹和所述预测航迹进行冲突预测，确定所述交通冲突的冲突程度，包括：

18、根据所述主着陆航迹和所述预测航迹，确定所述无人机与所述目标航空器的预测最小间隔距离和冲突时间ttc，根据所述预测最小间隔距离确定距离风险等级，根据所述冲突时间ttc确定时间风险等级，并以所述距离风险等级和所述时间风险等级中较高的风险等级确定所述交通冲突为轻度冲突、中度冲突或重度冲突；

19、当所述交通冲突发生于所述最终下滑段时，所述轻度冲突和所述中度冲突满足所述预设侧向避让条件，所述重度冲突满足所述预设复飞条件。

20、进一步地，所述轻度冲突和所述中度冲突分别对应不同的最大横向偏移量，且所述中度冲突对应的最大横向偏移量大于所述轻度冲突对应的最大横向偏移量；

21、生成所述侧向避让航迹时，当所述交通冲突为所述轻度冲突或所述中度冲突时，根据所述交通冲突的冲突程度确定目标横向偏移量，所述目标横向偏移量不大于对应冲突程度的所述最大横向偏移量；

22、在进入所述冲突航段的过程中，使所述避让航点相对于对应基准航点的横向偏移量逐渐增加至所述目标横向偏移量，并在避开所述交通冲突后使所述横向偏移量逐渐减小至零，以使所述侧向避让航迹重新收敛至所述主着陆航迹。

23、进一步地，所述判断所述侧向避让航迹是否满足预设安全继续着陆条件，包括：

24、校验所述侧向避让航迹与所述目标航空器之间的预测最小间隔距离是否满足安全间隔要求、所述侧向避让航迹是否满足所述无人机的转弯限制以及所述侧向避让航迹是否能够重新收敛至所述主着陆航迹；

25、当所述校验中的至少一项不满足对应要求时，调整所述目标横向偏移量或所述侧向避让航迹的过渡段长度，重新生成所述侧向避让航迹，并重新判断重新生成的所述侧向避让航迹是否满足所述预设安全继续着陆条件。

26、进一步地，根据所述主着陆航迹中各航点的空速和高度分别确定对应航点的动能和势能，并根据所述动能和所述势能确定对应航点的机械能状态；

27、针对各所述复飞决策点，根据该复飞决策点处所述主着陆航迹的空速和高度确定该复飞决策点处的机械能状态，获取该复飞决策点处所述主着陆航迹的位置、空速和机械能状态，并以所述位置、空速和机械能状态作为与该复飞决策点对应的、预先生成的复飞航迹的初始基准。

28、进一步地，所述复飞决策点为三个，分别为位于所述最终下滑段入口处的下滑道入口决策点、位于所述最终下滑段中间位置的下滑中点决策点以及位于所述最终下滑段内预设决断高度处的决断高度决策点；

29、所述下滑道入口决策点、所述下滑中点决策点和所述决断高度决策点分别对应入口能量校验点、中段能量校验点和接地前能量校验点；

30、针对各所述复飞决策点预先生成的复飞航迹均包括依次连接的初始爬升段、转弯出航段和等待航线段；所述初始爬升段用于从对应复飞决策点开始爬升，所述转弯出航段用于在爬升后转向等待航线方向，所述等待航线段用于使所述无人机保持等待飞行。

31、第二方面，基于同一发明构思，本发明还提供一种低空无人机着陆航迹规划系统，包括：

32、数据获取模块，被配置为获取无人机的飞行状态信息、目标着陆点信息和目标航空器的预测航迹；

33、主着陆航迹生成模块，被配置为根据所述飞行状态信息和所述目标着陆点信息生成所述无人机的主着陆航迹，所述主着陆航迹包括最终下滑段，所述最终下滑段包括多个基准航点，各所述基准航点至少具有水平位置、高度和目标速度；

34、复飞航迹生成模块，被配置为在所述主着陆航迹上设置至少一个复飞决策点，针对各所述复飞决策点预先生成对应的复飞航迹，并建立所述复飞决策点与对应复飞航迹之间的关联关系；

35、冲突预测及避让模块，被配置为根据所述主着陆航迹和所述预测航迹进行冲突预测，确定交通冲突是否发生于所述最终下滑段及所述交通冲突的冲突程度，并在所述交通冲突发生于所述最终下滑段且所述冲突程度满足预设侧向避让条件时，基于所述最终下滑段中与所述交通冲突对应的冲突航段内的至少部分基准航点生成对应的避让航点，各所述避让航点相对于对应基准航点仅改变水平位置，并保持对应基准航点的原规划高度和目标速度，以形成偏离所述主着陆航迹后重新收敛至所述主着陆航迹的侧向避让航迹；

36、所述冲突预测及避让模块还被配置为，当根据所述冲突预测确定未发生交通冲突时，将所述主着陆航迹确定为候选待执行航迹；判断所述侧向避让航迹是否满足预设安全继续着陆条件，并在满足时将所述侧向避让航迹确定为所述候选待执行航迹；

37、所述冲突预测及避让模块还被配置为，当所述交通冲突发生于所述最终下滑段且所述冲突程度满足预设复飞条件，或者在所述冲突程度满足所述预设侧向避让条件时所述侧向避让航迹不满足所述预设安全继续着陆条件时，触发复飞并停止沿所述最终下滑段继续着陆；当触发复飞时所述无人机位于任一所述复飞决策点处时，调用与该复飞决策点关联的复飞航迹，并将所调用的复飞航迹确定为所述候选待执行航迹；

38、所述复飞航迹生成模块还被配置为，当触发复飞时所述无人机未处于任一所述复飞决策点处时，以触发复飞时所述无人机的当前位置、当前空速和当前机械能状态作为初始基准，实时生成应急复飞航迹，并将所述应急复飞航迹确定为所述候选待执行航迹；

39、校验输出模块，被配置为接收所述候选待执行航迹，对所述候选待执行航迹进行随动安全校验，并在所述候选待执行航迹通过所述随动安全校验时，将所述候选待执行航迹作为所述无人机的待执行航迹输出。

40、第三方面，基于同一发明构思，本发明还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使所述处理器执行上述低空无人机着陆航迹规划方法。

41、第四方面，基于同一发明构思，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述低空无人机着陆航迹规划方法。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

43、本发明通过在最终下滑段交通冲突处理中设置受限侧向避让、固定复飞决策点复飞和非固定位置应急复飞三类处理路径，使交通冲突处理方式能够根据冲突程度及复飞触发位置进行选择，并形成继续着陆与复飞退出相衔接的处理链。

44、在满足侧向避让条件时，以最终下滑段基准航点为参照，仅改变避让航点的水平位置，并保持对应基准航点的原规划高度和目标速度，使侧向避让航迹在避开交通冲突后重新收敛至主着陆航迹，从而降低交通避让对原规划纵向下滑状态的扰动。

45、通过对侧向避让航迹进行安全继续着陆判断，并仅在满足相应条件时将其确定为候选待执行航迹，可以减少不满足安全继续着陆条件的侧向避让航迹被直接输出的情况；当满足复飞条件或者侧向避让航迹最终不能满足安全继续着陆条件时，则转入复飞处理。

46、通过将主着陆航迹、侧向避让航迹、调用的预生成复飞航迹以及实时生成的应急复飞航迹统一作为候选待执行航迹，并在输出前进行随动安全校验，使不同处理分支形成的航迹均在通过相应安全校验后再作为待执行航迹输出。

47、在复飞决策点处触发复飞时，调用与该决策点关联的预生成复飞航迹，可以减少固定决策点处复飞触发后的在线航迹生成过程；在非复飞决策点处触发复飞时，以复飞触发时的位置、空速和机械能状态为初始基准实时生成应急复飞航迹，可以覆盖最终下滑段非固定位置需要立即停止着陆并执行复飞的情形。

48、通过纵向风分量修正纵向下滑剖面和减速起始位置，并通过横向风分量形成风场补偿侧向偏置，使后续侧向避让所参照的基准航点已经包含风场适应结果；通过预测最小间隔距离和冲突时间ttc分别确定风险等级并取较高等级，有助于降低仅采用单一风险指标时低估交通风险的可能性。

49、通过根据航点空速和高度确定机械能状态，并以复飞触发时的位置、空速和机械能状态作为复飞航迹的初始基准，可以为主着陆航迹与复飞航迹之间的状态衔接提供依据；通过使复飞初始爬升过程由当前下降状态平滑过渡至爬升状态，并使复飞加速过程与主着陆航迹减速过程形成反向变化关系，有助于减小复飞切换过程中的状态和能量变化突变。