一种飞行器载荷投放窗口获得方法

技术领域

本发明属于飞行器控制技术领域，尤其涉及飞行器投放载荷的控制技术，具体涉及一种飞行器载荷投放窗口获得方法。

背景技术

无人飞行器具有低成本、便捷化、体积小等优点，得到广泛的使用。为了将飞行器优势最大化，通常会在飞行器上装配不同载荷以满足相应的任务要求，所述载荷通常不设置动力系统和控制结构。在民用领域，抗灾救险时常利用飞行器投放生活物资，在遭遇山火时投放消防设备等。然而，面对日益复杂的应用环境和多样化的任务需求，如何高效快速计算获得满足任务要求的载荷投放窗口，实现对指定的任务目标点载荷精确投放，从而更有效地发挥无人飞行器空间平台的优势成为迫切需要解决的问题，只有解决了快速自行获得载荷投放窗口，才能实现一人多机的高效操控，进而实现无人机全自动化、智能化地执行投放任务。

在实际的工程应用中，能够推算出可满足对该目标投放要求的飞行器载荷投放窗口，则可充分利用无人飞行器的灵活性、机动性，提高载荷投放的效率和精度，进而发挥其独特优势。但是，飞行器载荷投放窗口的选择往往受诸多环境因素限制，最为典型的影响因素就是目标附近的风速。

基于上述问题，为了能够获得准确的载荷投放窗口，本发明人对载荷投放方法做了深入研究，以期待设计出一种实用高效的载荷投放窗口获得方法。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种飞行器载荷投放窗口获得方法，该方法中，建立飞行器载荷投放模型、风场模型及发射瞬时飞行器模型，利用蒙特卡洛打靶，计算并统计出不同高度下的CEP与平均落点；其次通过对不同高度的不同方向的数据进行拟合，得到纵向和侧向范围；最后将纵向和侧向范围在空间内组合，即可得到适宜的载荷投放窗口，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供一种飞行器载荷投放窗口获得方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，基于载荷投放形式及目标处的风场信息，设定投放高度，模拟多次投放获得的平均落点及圆概率偏差CEP的取值；

步骤2，获得步骤1中投放高度对应的偏移范围；

步骤3，调整设定的投放高度，多次重复步骤1和步骤2，获得不同投放高度对应的偏移范围；

步骤4，通过数据拟合获得飞行器载荷投放窗口。

其中，在步骤1中，所述CEP的取值通过下式(一)获得：

CEP＝1.1774σ(一)

其中，σ表示标准差。

其中，所述标准差σ通过下式(二)获得：

其中，σ

σ

其中，所述x方向的标准差和z方向的标准差通过下式(三)获得：

其中，x

z

表示平均投放落点的x轴坐标，

表示平均投放落点的z轴坐标，

n表示投放次数。

其中，在步骤2中，首先获得投放高度对应的极值坐标，

再基于极值坐标获得偏移范围。

其中，所述极值坐标包括：

x轴方向偏移的极大值坐标

x轴方向偏移的极小值坐标

z轴方向偏移的极小值坐标

z轴方向偏移的极大值坐标

所述偏移范围包括：

侧向偏移范围(z轴方向偏移范围)z

纵向射程范围(x轴方向偏移范围)x

其中，在步骤3中，模拟下述投放高度，并获得对应的偏移范围：

50m、100m、200m、300m、400m、500m、650m、800m及1000m。

其中，在步骤4中，采用三次样条插值法拟合步骤3获得的各个投放高度对应的偏移范围，从而得到飞行器载荷投放窗口。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的飞行器载荷投放窗口获得方法，该方法以无人飞行器为平台，通过考虑风的扰动对无动力、无控制载荷投放过程的影响，建立了载荷模型、风场模型和飞行器模型，对几种不同高度下投放载荷的平均落点及CEP进行统计，拟合数据计算出任意高度投放的侧向范围和纵向范围，则可逆推出不同目标所对应的载荷投放窗口，可广泛使用，高效、准确计算可满足任务要求的载荷投放位置，具有广泛的应用场景和商业价值；

(2)根据本发明提供的飞行器载荷投放窗口获得方法，只需知道投放的载荷模型，即可逆推出针对某目标该载荷所对应的发射窗口，其中飞行器载荷可以是一些应用于民用场景，如遇山火定点投放消防设施，或遇地震、洪水等灾害向民众投放生活物资等等；

(3)根据本发明提供的飞行器载荷投放窗口获得方法，在实际任务执行过程中，只需获知目标的位置坐标，即可高效逆推出不同目标在既定模型下对应的发射窗口。

(4)根据本发明提供的飞行器载荷投放窗口获得方法，考虑了风的扰动对载荷投放过程的影响，适用于实际运用中复杂的应用环境与任务需求，实现准确投放，且因计算简洁，提高了实际应用时的效率，同时也考虑到多样化的任务需求，载荷种类具有多样性。

附图说明

图1示出本申请一种飞行器载荷投放窗口获得方法的整体逻辑图；

图2示出实施例中9个投放高度对应的平均落点及CEP示意图；

图3示出实施例中不同高度下侧向偏移范围示意图；

图4示出实施例中不同高度下纵向射程范围示意图；

图5示出实施例中最终获得的载荷投放窗口示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供一种飞行器载荷投放窗口获得方法，如图1中所示，该方法包括如下步骤：

步骤1，基于载荷投放形式及目标处的风场信息，设定投放高度，模拟多次投放获得的平均落点及圆概率偏差CEP的取值；

在步骤1中，通过蒙特卡洛打靶法来模拟载荷投放的落点散布状况，所述载荷投放形式包括载荷的外形尺寸、质量、投放时的弹道倾角、载荷的滚转角等信息，还包括投放瞬间飞行器的位置姿态信息。

所述风场信息包括风的速度大小信息和速度方向信息。

全部落点的x轴坐标的平均值是所述平均落点的x轴坐标，全部落点的z轴坐标的平均值是所述平均落点的z轴坐标。

所述圆概率偏差CEP衡量飞行器载荷投放精度的尺度，其定义为：有1/2落点落入以平均落点为圆心的某个圆内，此圆的半径R称为CEP。

优选地，在步骤1中，所述CEP的取值通过下式(一)获得：

CEP＝1.1774σ(一)

其中，σ表示标准差。本申请中，将该CEP的取值设置为上述1.1774倍标准差，能够使得最终获得的投放窗口更为准确，确保在该投放窗口内投掷的载荷可以落到计划区域内，距离真实目标足够近，能够起到预定效果。

更优选地，所述标准差σ通过下式(二)获得：

其中，σ

σ

所述x方向的标准差和z方向的标准差通过下式(三)获得：

其中，x

z

表示平均投放落点的x轴坐标，

表示平均投放落点的z轴坐标，

n表示投放次数，在步骤1中，基于每个投放高度，都至少模拟投放100次，为了缩短模拟时间，可以具体设置为投放100次即n＝100。

本申请中的坐标系：以飞行器飞行方向为x轴方向，以竖直方向为y轴方向，垂直于xy的方向为z轴方向。

步骤2，获得步骤1中投放高度对应的偏移范围；

在步骤2中，首先获得投放高度对应的极值坐标，

再基于极值坐标获得偏移范围。

优选地，所述极值坐标包括：

x轴方向偏移的极大值坐标

x轴方向偏移的极小值坐标

z轴方向偏移的极小值坐标

z轴方向偏移的极大值坐标

所述偏移范围包括：

侧向偏移范围(z轴方向偏移范围)z

纵向射程范围(x轴方向偏移范围)x

步骤3，调整设定的投放高度，多次重复步骤1和步骤2，获得不同投放高度对应的偏移范围；

在步骤3中，模拟下述投放高度，并获得对应的偏移范围：

50m、100m、200m、300m、400m、500m、650m、800m及1000m。

本发明人发现，通过设置上述9个高度尺寸，能够获得准确的载荷投放窗口，并且该载荷投放窗口的覆盖范围能够满足常见的任务类型需求，火灾灭火设备投放或者空投补给等等常见的任务类型，都能够基于该载荷投放窗口进行投放，能够使得载荷落点刚好位于目标附近。

步骤4，通过数据拟合获得飞行器载荷投放窗口。

在步骤4中，采用三次样条插值法拟合步骤3获得的各个投放高度对应的偏移范围，从而得到飞行器载荷投放窗口。

其中，优选地，利用MATLAB的interp1算法的“spline”进行拟合。

所述获得的飞行器载荷投放窗口为一个立体的空间区域，当飞行器进入到该空间区域中时执行投放任务，即能够使得投放的载荷落在目标附近。

实施例

设置由无人机投掷载荷，该载荷为筒形仿弹结构载荷，载荷的技术参数如下表1所示，

表1技术参数

该载荷滚转角始终为0°，水平投放(弹道倾角θ＝0°)；

在载荷投放瞬间无人飞行器的位置、姿态均为理想条件下，投放时刻无人飞行器各参数数据如表2所示。

表2飞行器投放时刻参数

目标处存在风扰动，由于飞行器起飞位置与目标位置比较接近，用飞行器起飞位置的风场信息来代替目标位置的风场信息，具体的风场信息如下表3所示：

S表3风场信息

该飞行器投放载荷的投放窗口，通过下式步骤获得：

步骤1，基于载荷投放形式及目标处的风场信息，设定投放高度为50米，利用利用蒙特卡洛打靶法，模拟100次投放获得的平均落点及圆概率偏差CEP的取值；

所述CEP的取值通过下式(一)获得：

CEP＝1.1774σ(一)

所述标准差σ通过下式(二)获得：

其中，σ

σ

所述X方向的标准差和z方向的标准差通过下式(三)获得：

其中，x

表示平均投放落点的x轴坐标，

表示平均投放落点的z轴坐标，

n＝100。

步骤2，获得步骤1中投放高度对应的偏移范围；

在步骤2中，首先获得投放高度对应的极值坐标，再基于极值坐标获得偏移范围。

所述极值坐标包括：

x轴方向偏移的极大值坐标

x轴方向偏移的极小值坐标

z轴方向偏移的极小值坐标

z轴方向偏移的极大值坐标

所述偏移范围包括：

侧向偏移范围(z轴方向偏移范围)z

纵向射程范围(x轴方向偏移范围)x

步骤3，调整设定的投放高度，再重复8次步骤1和步骤2，共获得下述9个投放高度对应的偏移范围；

50m、100m、200m、300m、400m、500m、650m、800m及1000m。

其中，9个投放高度对应的平均落点及CEP如图2中所示。

步骤4，采用三次样条插值法拟合步骤3获得的各个投放高度对应的偏移范围，从而得到飞行器载荷投放窗口。

其中，不同高度下侧向偏移范围如图3中所示，如当投放高度为500.5m时，考虑风的扰动条件下，载荷落点的侧向偏移范围是-9.66m～13.42m；

不同高度下纵向射程范围如图4中所示，基于该图4可知，当要求目标点与无人飞行器载荷投放时的水平距离距离为70m时，可击中目标的投放高度范围为270.2m～478.1m；当目标点与无人飞行器载荷投放时的水平距离距离为100m时，可击中目标的投放高度范围为554.6m～1000m；

目标位置坐标为(1000m，0m，0m)，最终获得的载荷投放窗口如图5中立体的红色区域所示，基于本申请中的方法，当无人机进入到该红色区域中并投放载荷，该载荷可击中指定目标。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。