UAV原路返航时的切入航段/航点选择方法及航迹规划方法

技术领域

本发明涉及无人机的飞行控制方法技术领域，尤其涉及一种UAV原路返航时的切入航段/航点选择方法及航迹规划方法。

背景技术

无人直升机等UAV(Unmanned Aerial Vehicle，无人飞行器)在远端执行任务过程中通常有两种飞行模式：一种是航线飞行模式，无人直升机根据预设的航线自主飞行；另一种为遥调飞行模式(属于自动飞行模式的一种)，无人直升机实时接收测控数据链指令，并跟踪遥控指令飞行，在完成既定任务后或出现测控数据链通信中断等应急情况下，无人直升机可在航线飞行模式下投入原路返航模式，选择最新经过的航点为原路返航切入航点，沿预设航线反向飞回归航点。但在遥调飞行模式下，传统方法中无人直升机仅根据自身位置与航点位置的距离，选择最近的航点为原路返航切入航点，导致无人直升机的发动机功率不足，或使无人直升机进入涡环状态等威胁，存在较大的安全隐患。

发明内容

为了解决前述现有技术存在的缺陷，本发明的实施例提供一种UAV原路返航时的切入航段选择方法，包括：

特征点的选取，将所述UAV的坐标向航段内投影，若投影的垂足在该航段内，则以该垂足为特征点；若投影的垂足在该航段外，则以该航段两端与UAV距离较近的航点为所述特征点；

所述特征点的选取遍历各航段，得到各个航段对应的所述特征点；

按照L＝H+V×W计算各个航段对应的所述特征点与所述UAV的坐标的加权距离，其中，L表示加权距离，H表示水平距离，V表示垂直距离，W表示权重，所述权重W为预定值；

选择所述加权距离最小值对应的航段为原路返航时的切入航段。

优选的，所述权重的取值为预选取值。

进一步优选的，所述权重的取值由所述UAV可达到的最大的平飞速率和最大下降速率的比值来确定。

还优选的，按如下进行所述特征点的选取：

首先，确定所述UAV的坐标P向航段A

其中，

n为自然数，代表航段号，A

然后，判断所述垂足C

本发明的实施例还提供一种UAV原路返航时的切入航点选择方法，包括：

特征点的选取，将所述UAV的坐标P向航段内投影，若投影的垂足在该航段内，则以该垂足为特征点；若投影的垂足在该航段外，则以该航段两端与UAV距离较近的航点为所述特征点；

所述特征点的选取遍历各航段，得到各个航段对应的所述特征点；

按照L＝H+V×W计算各个航段对应的所述特征点与所述UAV的加权距离，其中，L表示加权距离，H表示水平距离，V表示垂直距离，W表示权重，所述权重W为预定值；

选择所述加权距离最小值对应的航段为原路返航时的切入航段；

如果所述原路返航航段的特征点为垂足，则选择该航段中序号较小一端的航点作为切入航点；如果所述原路返航段的特征点为航点，则计算所述UAV与该航段两端航点的距离，并选择距离较小一端的航点作为切入航点。

优选的，所述权重的取值为预选取值。

优选的，所述权重的取值由UAV可达到的最大的平飞速率和最大下降速率的比值来确定。

优选的，按如下进行所述特征点的选取：

首先，确定所述UAV的坐标P向航段A

其中，

为自然数，代表航段号，A

然后，判断所述垂足C

若

本发明的实施例还提供一种UAV原路返航时的航迹规划方法，其包括原路返航时的切入航段选择步骤，所述切入航段选择步骤采用如上文任一项所述的切入航段选择方法。

本发明的实施例还提供一种UAV原路返航时的航迹规划方法，其包括原路返航时的切入航点选择步骤，所述切入航点选择步骤采用如上文任一项所述的切入航点选择方法。

本发明的实施例与现有技术相比至少具有如下有益效果：

本发明的实施例提供的UAV原路返航切入航段选择方法，能够兼顾UAV在投入原路返航时切入航段选择的策略合理性和飞行安全性；本发明的实施例提供的UAV原路返航切入航点选择方法，能够兼顾UAV在投入原路返航时切入航点选择的策略合理性和飞行安全性，具有重要意义和实用价值。

附图说明

图1为本发明一个实施例的无人直升机与各航点距离计算示意图；

图2为本发明一个实施例的无人直升机与各航段特征点计算示意图；

图3为本发明一个实施例中无人直升机的垂足C

图4为本发明一个实施例中无人直升机的垂足C

具体实施方式

如图1所示的航点示意图中，航点1为归航点，无人直升机在P点位置投入原路返航时，选择与自身位置最近的航点为返航切入点时，会优先选择航点2进行返航，返航路径为：航点2→航点1，但实际上，该返航路径存在飞行安全隐患，尤其是在某些高海拔场景下。本发明人发现，传统的返航切入点选择方法，在某些特殊情况下，或在预设航线复杂的情况下，可能会选择到与无人直升机不在同一水平面，但垂直距离较的航点-可简单称之为“三维距离”最小的航点作为原路返航切入航点，若航点高于无人直升机当前高度，会导致无人直升机快速爬升飞往航点，可能会造成发动机功率不足；若航点低于无人直升机当前高度，会导致无人直升机快速下降飞往航点，存在进入涡环状态等威胁，存在较大的安全隐患。

本发明的目的在于提供一种无人直升机等投入到原路返航模式时，合理的切入航段/航点选择方法，从而提升无人直升机等UAV在投入原路返航时的策略合理性和飞行安全性。

本发明中，所谓原路返航，不是指直升机等飞行的原路径，而是预设航点的逆向原路径。所谓遥调飞行模式，属于自动飞行模式的一种，直升机等在遥调模式下跟踪地面系统发送的速度指令进行飞行，比如地面发送前飞10m/s，无人直升机等就一直跟踪该指令保持10m/s速度前飞，直到收到其它指令。所谓航段，是指预设的两个相邻航点间的航线段。

下面将结合本发明实施例中的附图1-4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种UAV原路返航时的航迹规划方法，其包括原路返航时的切入航段选择步骤，所述切入航段选择步骤包括：在每个航段上选取一个航点，若所述航点投影的垂足C

d

其中，水平距离

选择加权距离d

然后，按照L＝H+V×W计算各个所述特征点与所述UAV的加权距离，其中，L表示加权距离，H表示水平距离，V表示垂直距离，W表示权重，所述权重W为预定值；最后，选择所述加权距离最小值对应的所述航段为原路返航航段。

本实施例中，所述权重W的取值可为预选取值，比如按经验选择的值，也可优选按照UAV相关性能参数计算得到的值，比如，所述权重的取值由UAV可达到的最大的平飞速率和最大下降速率的比值来确定。举例来说，如无人直升机最大平飞速率为30m/s，最大下降速率为2m/s，则所述权重W的值为30/2＝15。

本实施例中，按如下方式确定所述特征点：

首先，确定UAV坐标P向航段A

其中，

P表示UAV坐标，n为自然数，代表航段号，A

然后，判断所述垂足C

按照L＝H+V×W计算各个所述特征点与所述UAV的加权距离，其中，L表示加权距离，H表示水平距离，V表示垂直距离，W表示权重，所述权重W为预定值。

最后，选择所述加权距离最小值对应的所述航段为原路返航时的切入航段。

实施例2

一种UAV原路返航时的航迹规划方法，其包括原路返航时的切入航点选择步骤，所述切入航点选择步骤包括：

在每个航段上选取一个航点，若所述航点投影的垂足在该航段内，则以该垂足为特征点；若UAV向航段内的所述航点投影的垂足在该航段外，则以该航段两端与UAV距离较近的航点为所述特征点；按照L＝H+V×W计算各个所述特征点与所述UAV的加权距离，其中，L表示加权距离，H表示水平距离，V表示垂直距离，W表示权重，所述权重W为预定值；选择加权距离最小的航段为原路返航航段；如果所述原路返航航段的特征点为垂足，则选择该航段中序号较小一端的航点作为切入航点；如果所述原路返航段的特征点为航点，则计算所述UAV与该航段两端航点的距离，并选择距离较小一端的航点作为切入航点。

本实施例中，所述权重W的取值可为预选取值，比如按经验选择的值，也可优选按照UAV相关性能参数计算得到的值，比如，所述权重的取值由UAV可达到的最大的平飞速率和最大下降速率的比值来确定。举例来说，如无人直升机最大平飞速率为30m/s，最大下降速率为2m/s，则所述权重W的值为30/2＝15。所述特征点按如下方式确定：

首先，确定UAV坐标P向航段A

其中，

P表示UAV坐标，n为自然数，代表航段号，A

然后，判断所述垂足C

再按照L＝H+V×W计算各个所述特征点与所述UAV的加权距离，其中，L表示加权距离，H表示水平距离，V表示垂直距离，W表示权重，所述权重W为预定值。

再选择所述加权距离最小值对应的所述航段为原路返航航段。

最后，做如下判断和选择：

如果所述原路返航航段的特征点为垂足，则选择该航段中序号较小一端的航点作为切入航点；如果所述原路返航段的特征点为航点，则计算所述UAV与该航段两端航点的距离，并选择距离较小一端的航点作为切入航点。

以下是本发明一个实施例的测试例与传统方法的对比说明：

在当地导航坐标系下(x轴指向东向，y轴指向北向，z轴垂直于x轴和y轴构成的平面指向天向)，设有一组航点坐标如下表一所示：

表一

设无人直升机在坐标点(120,10,30)处切入原路返航，如图1所示，若以传统方法选择原路返航切入点，则无人直升机仅根据自身位置与航点位置的距离，选择最近的航点为原路返航切入航点。无人直升机与各航点距离计算示意图如图1所示，无人直升机与各航点距离计算结果如下表二所示：

表二

经计算后，无人直升机与航点2距离最近，将选择航点2为原路返航切入点，从而将以较大下降率飞往航点2，返航路径为：航点2→航点1，该返航路径存在较大的安全隐患。

而采用本发明的方法选择原路返航切入点，将通过计算找到无人直升机与每一条航段(相邻两航点间航线构成一条航段)的特征点，并计算每一条航段特征点与无人直升机的加权距离，选择加权距离最小的航段为原路返航航段，最后根据判断在该航段中选择一个航点作为切入航点进行原路返航。无人直升机与各航段特征点计算如图1所示。选取权重值w＝12.5，则无人直升机与特征点的加权距离计算结果如下表三所示：

表三

经计算后，无人直升机与特征点5距离最近，即无人直升机与航段5(航点5和航点6间的航线)距离最近，且特征点5位于该航段内，故选择航段两端序号较小的航点5为原路返航切入点。最终无人直升机的原路返航路径为：航点5→航点4→航点3→航点2→航点1，为最佳原路返航路径。

本发明的各实施例的方法可适用于多种飞行模式，尤其是适用于UAV由遥调飞行模式切入“原路返航模式”中时，可大幅度提高飞行安全性。

应当指出，在说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等表示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指同一实施例。此外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其他实施例实现这样的特征、结构或特性处于本领域技术人员的知识范围之内。

此外，文中为了便于说明可以使用空间相对术语，例如，“下面”、“以下”、“下方”、“以上”、“上方”等，以描述一个元件或特征相对于其他元件或特征的如图所示的关系。空间相对术语意在包含除了附图所示的取向之外的处于使用或操作中的器件的不同取向。装置可以具有其他取向(旋转90度或者处于其他取向上)，并且文中使用的空间相对描述词可以同样被相应地解释。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。