一种固定翼飞行器水平航线切换的引导方法与流程

1.本技术属于飞行器的自动控制领域，特别涉及一种固定翼飞行器水平航线切换的引导方法。


背景技术：

2.在航空领域的需求呈几何级数增长的形势下，有限的可供飞行器飞行的空域会越发繁忙。为了实现安全飞行，一种以沿空中交通服务航路运行，实施仪表进近程序或者在指定空域运行的航空器性能要求而实现的区域导航成为航空器发展的一种新的趋势。
3.当飞行器在执行rnp要求的飞行时，需要飞行器在飞行过程中保证飞行轨迹目标轨迹的误差在规定的精准度范围之内。目前，根据 icao2013年出版的《基于性能的导航(pbn)手册》规定，共有7种的 rnp导航规范。根据飞行器的运行范围，应满足不同的导航规范。当飞行器在海洋及远程导航应用时，应选择rnp 4或rnp 2导航规范。当飞行器在航路和终端导航时，应使用rnp 2，rnp 1，a-rnp等导航规范。执行相应的导航规范决定了飞行器在相应的飞行领域应能够按照规定的航线飞行，而且满足该导航规范中对于侧向导航的精度要求。对于rnp 1 而言，要求飞行器在沿着航路的运行期间，至少95％的飞行时间中，侧向总系统误差在1海里之内。
4.传统的飞行过程中，一种飞行指示仪表通过指针结合表盘的方式能够显示飞机与预定航线的位置关系。该设备用于帮助飞行员能够及时的了解飞行器与预设航路之间的关系。但在rnp导航中，无法准确了解并确定飞行器与预设航路的飞行器之间的位置关系。
5.在仅依靠惯性导航系统和全球定位系统导航的飞行器中，包括无人机和有人机，能够在飞行中在满足空域管理要求的飞行状态下，实现更加的自由的飞行轨迹设计，而不是局限于dme，vor的导航位置要求。这样的进步对于提高空域的利用率是非常高效的。该技术的发展与rnp 导航的结合，能够大幅度的提高空域利用率并满足未来对航空运输业的需求。在飞行中可能遇到障碍物包括气象条件障碍，空域受限等情况。对于有人机而言是可以通过飞行员介入实现障碍的规避以寻求安全飞行。当无人机或者有人机处于自动驾驶状态时，遇到障碍物的安全飞行成为了飞行器设计的重要问题。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是，当无人飞行器在自主飞行状态下飞行时，遇到障碍物或者危险区域时，飞行器需要由原航线切换至新航线中飞行器的自主引导问题。
7.检测到的障碍物可包括在预定航路上出现的建筑物等突发情况，或者航线设计中未考虑但是被飞行器的危险检测系统标识为危险的飞行区域。危险检测系统可能包括geofence或者气象雷达，地形雷达等检测系统。
8.对于大型飞行器而言，检测的障碍物可以能是由监视雷达提供的气象告警信息，或者空中管理系统提供的突发的交通意外，例如可能存在的当前航道中误入了其他飞行器。在该发明中，检测到的障碍物和危险区域在飞行器的飞行管理系统被识别为禁飞区，一
种固定翼飞行器水平航线切换的引导方法，其特征在于，该方法包括以下几个步骤：
9.步骤s1：接收飞行器航段修改指令；
10.步骤s2：获取飞行器的当前航段的航向角ψ；
11.步骤s3：基于所述修改指令激活新的航段并获取所述新的航段的航向角ψ'；
12.步骤s4：基于当前航段的航向角ψ与新的航段的航向角ψ'解算出由所述当前航段切换至所述新的航段的切换航线，所述切换航线包括第一切换航线与第二切换航线，所述第一切换航线与所述当前航段、所述第二切换航线均相切，所述第二切换航线与所述新的航段相切，所述解算包括判断第一切换航线的朝向与第一切换航线的弧度；
13.所述判断第一切换航线的朝向，其具体关系如下：
14.在ψ≤π时，
15.当ψ＞ψ'≥0，所述第一切换航线为逆时针朝向；
16.当π＞ψ'≥ψ，所述第一切换航线为顺时针朝向；
17.当2π＞ψ'≥π，所述第一切换航线为逆时针朝向。
18.在ψ＞π时，
19.当(ψ-π)＞ψ'≥0，则λ＝-1，所述第一切换航线为逆时针朝向；
20.当ψ＞ψ'≥(ψ-π)，则λ＝-1，所述第一切换航线为逆时针朝向；
21.当2π》ψ'≥ψ，则λ＝1，所述第一切换航线为顺时针朝向；
22.所述解算第一切换航线弧度具体使用以下公式：
23.ψ
t1
＝ψ 90
°‑
ψ’或者ψ
t1
＝ψ-ψ’24.ψ
t1
为第一切换航线的弧度。
25.优选的是，所述解算还包括第二切换航线弧度，具体使用以下公式：
26.ψ
t2
＝90-|ψ’|
27.ψ
t2
为第二切换航线的弧度。
28.优选的是，所述解算还包括计算：第一切换航线与第二切换航线的半径，具体步骤如下：
29.第一步：获取飞行器进入所述切换航线的地速；
30.第二步：获取飞行器的滚转角以及飞行器与新的航段的距离；
31.第三步：仿真当前环境的修正变量，所述修正变量包括空气，温度，气压，风速；
32.第四步：修正变量基于所述地速，所述滚转角，所述距离以及所述修正变量计算所述半径。
33.优选的是，所述步骤s4之后还有步骤s5：基于所述新的航段、所述第一切换航线与所述第二切换航线对飞行器进行引导，所述引导包括：将当前航段和第一切换航线的设为第一组合，第一切换航线和第二切换航线设为第二组合，第二切换航线和新的航段设为第三组合，根据所述第一组合，所述第二组合，所述第三组合依次引导。
34.优选的是，所述固定翼飞行器水平航线切换的引导方法应用于小型无人机，大型无人机以及大型有人飞机的全自主飞行状态。
35.优选的是，所述固定翼飞行器水平航线切换的引导方法应用于飞行器飞行在水平方向的引导。
36.优选的是，根据所述第一组合引导时，具体为：在所述当前航段按照直线的引导方
式进行引导时；飞行器判断是否到达切入第一切换航线的切入点；当到达第一切换航线的切入点时，采用曲线引导方式，并检测第一切换航线的结束点。
37.一种固定翼飞行器水平航线切换的引导方法，其特征在于，该方法包括以下几个步骤：
38.步骤s1：接收飞行器航段修改指令；
39.步骤s2：获取飞行器的当前航段的航向角ψ；
40.步骤s3：基于所述修改指令激活新的航段并获取所述新的航段的航向角ψ'；
41.步骤s4：基于当前航段的航向角ψ与新的航段的航向角ψ'解算出由所述当前航段切换至所述新的航段的切换航线，所述切换航线包括第一切换航线与第二切换航线，所述第一切换航线与所述当前航段、所述第二切换航线均相切，所述第二切换航线与所述新的航段相切，所述解算包括判断第一切换航线的朝向与第一切换航线的弧度；
42.所述判断第一切换航线的朝向，其具体关系如下：
43.ψ'-ψ《-π或者0《ψ'-ψ《π所述第一切换航线为顺时针朝向；
44.0≥ψ'-ψ≥-π或者ψ'-ψ≥π所述第一切换航线为逆时针朝向；
45.所述解算第一切换航线弧度具体使用以下公式：
46.ψ
t1
＝ψ 90
°‑
ψ’或者ψ
t1
＝ψ-ψ’47.ψ
t1
为第一切换航线的弧度。
48.本技术的优点包括：本技术能够应用在小型无人机，大型无人机以及大型有人飞机的全自主飞行状态时遇到航线切换时的引导方法，能够让飞机在不失速的情况下实现自动切换航线。
附图说明
49.图1飞行器的水平航线引导方法的流程图；
50.图2是激活切换航线之后的引导方法流程图；
51.图3是三种航段组合的切换流程图；
52.图4是飞行器的水平引导切换路径设计，沿着逆时针方向切换；
53.图5是飞行器的水平引导切换路径设计，沿着顺时针方向切换；
54.图6是原航线角小于π时的新航线角决定切换方向的示意图；
55.图7是原航线角大于等于π时的新航线角决定切换方向的示意图；
56.图8是飞行器的原航路为曲线飞行时的水平引导切换路径设计，沿着顺时针方向切换。
具体实施方式
57.为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施方式中的附图，对本技术实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本
申请保护的范围。下面结合附图对本技术的实施方式进行详细说明。
58.本发明的实施例1
59.本发明的一个实施例是应用在固定翼无人机上。无人机处于全自主模式的状态下工作，无人机按照飞行任务制定的水平航线飞行。水平航路的其一案例如图5所示。
60.在飞行的计划航线中，有三个航点分别表示为w(n)，w(n 1)，w(n 2) 三个。在飞行到w(n)w(n 1)航段时，检测到w(n 1)w(n 2)之间危险区域，在飞行中设为禁飞区。检测到禁飞区之后，由飞行管理系统根据飞行器的性能参数，当前的飞行速度以及检测到的禁飞区区域范围计算并设计得到新的航路点，在该实施例中，无人机经解算之后设计得到一组新的飞行计划，由w(n)，w(n 1)'和w(n 2)组成。
61.可以用于无人机操纵飞机的横向制导方法，该方法主要包括以下6 个步骤：
62.步骤一(s1)，首先需要获得飞行器的位置信息和姿态信息。
63.当前的位置信息可以从gps导航系统和无线电测距系统获得。当前的飞行器的姿态信息可以从飞行器的惯性导航系统获得。姿态信息至少包括飞行器的当前的滚转角和航向角。姿态信息还可以包括飞机的俯仰角，偏航角等信息。
64.步骤二(s1)，判断是否有航路的修改。
65.当飞行器遇到障碍时，如图5所示，原航路计划按照w(n)，w(n 1)， w(n 2)为顺序依次飞行。当飞行器在激活航段w(n)和w(n 1)时，收到检测到禁飞区域的提醒时，由飞行计划修改算法，产生新的航点w(n 1)'。修改之后新的航线有w(n)，w(n 1)'，w(n 2)定义，新的航线如图5所示。当飞行管理系统检测到航线发生变化时，则进入步骤三。
66.当飞行器未发生修改时，直接进入步骤五(s5)。
67.步骤三(s3)，激活的新航段w(n)w(n 1)'和下一航点w(n 2)。被激活的新航段和下一航点将作为切换航迹的设计依据。
68.步骤四(s4)，进入切换航线引导。
69.由两段圆弧航迹组成，以实现更优化的设计方案。该航迹的设计包括转弯方向设计和转弯弧度设计。
70.1)转弯方向由原航线角ψ和新航线角ψ'决定，定义λ表示转弯的方向，当λ＝1为顺时针；λ＝-1为逆时针。
71.当ψ≤π，如图5所示；
72.如果ψ＞ψ'≥0，则λ＝-1，逆时针转向；
73.如果π＞ψ'≥ψ，则λ＝1，顺时针转向；
74.如果2π＞ψ'≥π，则λ＝-1，逆时针转向。
75.当ψ＞π，如图6所示，
76.如果(ψ-π)＞ψ'≥0，则λ＝-1，逆时针转向；
77.如果ψ＞ψ'≥(ψ-π)，则λ＝-1，逆时针转向；
78.如果2π＞ψ'≥ψ，则λ＝1，顺时针转向。
79.2)新增航段包括两个曲线航段，即第一曲线航段和第二曲线航段。第一曲线航段和第二曲线航段相切。
80.第一切换航线的角度由原航段航向角ψ(
°
)和新航段航向角ψ
‘
(
°
) 决定。
81.当原航段航向角ψ和新航段ψ
‘
的符号相同时，第一切换航线弧度由
82.ψ
t1
＝ψ 90
°‑
ψ’83.决定；
84.当原航段航向角ψ和新航段ψ
‘
的符号相同时，第一切换航线弧度即由从原航段到航迹切点所转过的弧度为ψ
t1
，
85.ψ
t1
＝ψ-ψ’86.决定；
87.第一航段的转弯半径由
[0088][0089]
定义。其中vg是在p点处的地速。g为当前高度的重力加速度。为滚转角，必须满足飞机设计的约束和相关适航条款的约束。第一航段的圆弧轨迹由圆心o(n)确定。第一航段如图4中o(n)所确定的圆弧所示。
[0090]
第二切换航线的航向角即为从原航段到航迹切点所转过的弧度为ψ
t2
。由新航段的航向角定义，应为
[0091]
ψ
t2
＝90-|ψ’|
[0092]
第一航段的转弯半径定义为r，由
[0093][0094]
计算。其中vg是在t点处的地速。g为当前高度的重力加速度。为滚转角，必须满足飞机设计的约束和相关适航条款的约束。第一航段的圆弧轨迹由圆心o(n 1)确定。第二航段如图4中o(n 1)所确定的圆弧所示。
[0095]
图5所示的是一种顺时针切换航迹的飞行航段。图5所示的飞行航段是逆时针转向的飞行航迹。
[0096]
步骤五(s5)插入设计的切换航线，并激活至少激活当前无人机所在的航段和下一航段共两个航段。
[0097]
激活航段应至少包含两类航段即直线航段和曲线航段之一的航段。
[0098]
直线航段包括原航段和新航段，曲线航段包括第一曲线航段和第二曲线航段；
[0099]
激活航段时应激活的航段必须是相邻的航段，因此在切换航线时激活航段的存在组合包括原航段和第一曲线航段组合，第一曲线航段和第二曲线航段组合，第二曲线航段和新计划航迹组合。
[0100]
步骤六(s6)根据激活的航路的类型，按照三个激活类型确定引导类型分别进行引导。三种激活类型包括原航段和第一曲线航段组合，第一曲线航段和第二曲线航段组合，第二曲线航段和新计划航迹组合。确定激活的航段之后，根据当前的状态进行引导。引导的方式包括直线引导和曲线引导两种类型。
[0101]
type1原航段和第一曲线航段组合
[0102]
当激活航段为该组合时，在原航段按照直线航段的引导方式进行引导；直线引导并判断是否到达切入第一曲线的切入点；当到达第一曲线的飞入点时，采用曲线引导方式，
并检测第一曲线的结束点，此时第一曲线和第二曲线航段组合已激活。该过程中，输出引导指令至飞控。
[0103]
type2第一曲线航段和第二曲线航段组合
[0104]
当激活航段为该组合时，在第一曲线航段按照曲线引导方式进行引导，目标航迹是在前述第四步(s4)中设计的第一曲线航段。当检测第一曲线的结束点并进入第二曲线航段时，以前述时前述第四步(s4)中设计的第二曲线航段作为目标航迹，进行曲线引导，并激活新航段。
[0105]
type3第二曲线航段和新计划航迹组合
[0106]
当激活航段为该组合时，在第二曲线航段按照曲线引导方式进行引导，目标航迹是在前述第四步(s4)中设计的第二曲线航段。当检测第二曲线的结束点并进入新航段时，以整个修改中的新航段为航迹进行直线引导。至此切换航线过程结束，新航迹作为当前飞行计划执行。
[0107]
本发明的实施例2
[0108]
本发明的一个实施例是应用在固定翼无人机上。无人机处于全自主模式的状态下工作，无人机按照飞行任务制定的水平航线飞行。水平航路的其一案例如图8所示。该飞行计划中，第一航段为曲线航段，第二航段为直线航段。
[0109]
在飞行的计划航线中，有三个航点分别表示为w(n)，w(n 1)，w(n 2) 三个。在飞行到w(n)w(n 1)航段时，检测到w(n 1)w(n 2)之间危险区域，在飞行中设为禁飞区。检测到禁飞区之后，由飞行管理系统根据飞行器的性能参数，当前的飞行速度以及检测到的禁飞区区域范围计算并设计得到新的航路点，在该实施例中，无人机经解算之后设计得到一组新的飞行计划，由w(n)，w(n 1)'和w(n 2)组成。
[0110]
可以用于无人机操纵飞机的横向制导方法，该方法主要包括以下6 个步骤：
[0111]
步骤一(s1)，首先需要获得飞行器的位置信息和姿态信息。
[0112]
当前的位置信息可以从gps导航系统和无线电测距系统获得。当前的飞行器的姿态信息可以从飞行器的惯性导航系统获得。姿态信息至少包括飞行器的当前的滚转角和航向角。姿态信息还可以包括飞机的俯仰角，偏航角等信息。
[0113]
步骤二(s1)，判断是否有航路的修改。
[0114]
当飞行器遇到障碍时，该障碍如图8所示的由曲线包围表示的阴影区域。原航路计划按照w(n)，w(n 1)，w(n 2)为顺序依次飞行。当飞行器在激活航段w(n)和w(n 1)时，收到检测到禁飞区域的提醒时，由飞行计划修改算法，产生新的航点w(n 1)'。新的航点作为切换航线的结束点。修改之后新的航线有w(n)，w(n 1)'，w(n 2)定义，新的航线如图8所示。当飞行管理系统检测到航线发生变化时，则进入步骤三。
[0115]
当飞行器未发生修改时，直接进入步骤五(s5)。
[0116]
步骤三(s3)，激活的新航段w(n)w(n 1)'和下一航点w(n 2)。被激活的新航段和下一航点将作为切换航迹的设计依据。
[0117]
步骤四(s4)，设计切换航线引导航段。
[0118]
切换航线是在飞行器由原航迹向新的航迹切换中需要遵循的目标航迹。切换航线由两段圆弧航迹组成，以实现更优化的设计方案。该航迹的设计包括转弯方向设计和转弯弧度设计。
[0119]
转弯方向由原航线角ψ和新航线角ψ'决定。当切换航线的出发点在曲线航段时，切出点所在原航迹的切线对应的航向角定义为原航向角ψ，而新航线角为第二切换航线对应的航线角。a点为无人机由原航线w(n)w(n 1)w(n 2)转向新航线w(n)w(n 1)'w(n 2)的切出点。原航向角ψ是a点在w(n)w(n 1)弧上的切线与真北方向对应的切线角。ψ'为航段w(n 1)'w(n 2)的航向角。定义λ表示转弯的方向，当λ＝1为顺时针；λ＝-1为逆时针。
[0120]
当ψ≤π，如图5所示；
[0121]
如果ψ＞ψ'≥0，则λ＝-1，逆时针转向；
[0122]
如果π＞ψ'≥ψ，则λ＝1，顺时针转向；
[0123]
如果2π＞ψ'≥π，则λ＝-1，逆时针转向。
[0124]
当ψ＞π，如图6所示，
[0125]
如果(ψ-π)＞ψ'≥0，则λ＝-1，逆时针转向；
[0126]
如果ψ＞ψ'≥(ψ-π)，则λ＝-1，逆时针转向；
[0127]
如果2π＞ψ'≥ψ，则λ＝1，顺时针转向。
[0128]
2)新增航段包括两个曲线航段，即第一曲线航段和第二曲线航段。第一曲线航段和第二曲线航段相切。
[0129]
第一切换航线的角度由原航段航向角ψ(
°
)和新航段航向角ψ
‘
(
°
) 决定。
[0130]
当原航段航向角ψ和新航段ψ
‘
的符号相同时，第一切换航线弧度即从原航段到航迹切点所转过的弧度由
[0131]
ψ
t1
＝ψ 90
°‑
ψ’[0132]
计算；
[0133]
当原航段航向角ψ和新航段ψ
‘
的符号相同时，第一切换航线弧度ψ
t1
由
[0134]
ψ
t1
＝ψ-ψ’[0135]
计算；
[0136]
第一航段的转弯半径由
[0137][0138]
定义。其中vg是在p点处的地速。g为当前高度的重力加速度。为滚转角，必须满足飞机设计的约束和相关适航条款的约束。第一航段的圆弧轨迹由圆心o(n)确定。第一航段如图8中o(n)所确定的圆弧所示。
[0139]
第二切换航线的航向角即从原航段到航迹切点所转过的弧度为ψ
t2
，由新航段的航向角定义，应为
[0140]
ψ
t2
＝90-|ψ’|
[0141]
第一航段的转弯半径由
[0142][0143]
定义。其中vg是在t点处的地速。g为当前高度的重力加速度。为滚转角，必须满足飞机设计的约束和相关适航条款的约束。第一航段的圆弧轨迹由圆心o(n 1)确定。第二
航段如图8中o(n 1)所确定的圆弧所示。
[0144]
图8所示的是一种顺时针切换航迹的飞行航段。
[0145]
步骤五(s5)插入设计的切换航线，并激活至少激活当前无人机所在的航段和下一航段共两个航段。
[0146]
激活航段应至少包含两类航段即直线航段和曲线航段之一的航段。
[0147]
直线航段包括原航段和新航段，曲线航段包括第一曲线航段和第二曲线航段；
[0148]
激活航段时应激活的航段必须是相邻的航段，因此在切换航线时激活航段的存在组合包括原航段和第一曲线航段组合，第一曲线航段和第二曲线航段组合，第二曲线航段和新计划航迹组合。
[0149]
步骤六(s6)根据激活的航路的类型，按照三个激活类型确定引导类型分别进行引导。三种激活类型包括原航段和第一曲线航段组合，第一曲线航段和第二曲线航段组合，第二曲线航段和新计划航迹组合。确定激活的航段之后，根据当前的状态进行引导。引导的方式包括直线引导和曲线引导两种类型。
[0150]
type1原航段和第一曲线航段组合
[0151]
当激活航段为该组合时，在原航段按照直线航段的引导方式进行引导；直线引导并判断是否到达切入第一曲线的切入点；当到达第一曲线的飞入点时，采用曲线引导方式，并检测第一曲线的结束点，此时第一曲线和第二曲线航段组合已激活。该过程中，输出引导指令至飞行控制系统。
[0152]
type2第一曲线航段和第二曲线航段组合
[0153]
当激活航段为该组合时，在第一曲线航段按照曲线引导方式进行引导，目标航迹是在前述第四步(s4)中设计的第一曲线航段。当检测第一曲线的结束点并进入第二曲线航段时，以前述时前述第四步(s4)中设计的第二曲线航段作为目标航迹，进行曲线引导，并激活新航段。
[0154]
type3第二曲线航段和新计划航迹组合
[0155]
当激活航段为该组合时，在第二曲线航段按照曲线引导方式进行引导，目标航迹是在前述第四步(s4)中设计的第二曲线航段。当检测第二曲线的结束点并进入新航段时，以整个修改中的新航段为航迹进行直线引导。至此切换航线过程结束，新航迹作为当前飞行计划执行。
[0156]
本发明的实施例3
[0157]
本发明的另一应用是在大型商用飞机中使用。当大型飞行器在飞行中检测到监视雷达提供的气象告警信息如雷达，积雨云等恶劣气候变化；或者空中管理系统提供的突发的交通意外，例如可能存在的当前航道中误入了其他飞行器时，可以通过本发明中的方法切换至新的航线。该大型无人机可以是有人驾驶飞机或者无人驾驶的货机。
[0158]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。