無人直升機航路規(guī)劃中飛行安全問題分析

根據(jù)無人直升機的特點，闡述了無人直升機航路規(guī)劃的特殊性，講述了一般的航路規(guī)劃過程和注意事項。同時從速度判定、高度判定、數(shù)據(jù)鏈通視判定、控制律適應(yīng)性判定以及燃油預(yù)估等5個方面，講述了保證飛行安全的方法和措施。

【關(guān)鍵詞】航路規(guī)劃 無人直升機 飛行安全

1 引言

無人直升機的航路規(guī)劃是指在特定的約束條件下，尋找滿足無人直升機機動性能及戰(zhàn)場環(huán)境信息限制的從起始點到目標(biāo)點的最優(yōu)飛行軌跡，是在給定數(shù)字地圖、飛行器特性參數(shù)、飛行任務(wù)的情況下，按照某種性能指標(biāo)，要求航路規(guī)劃系統(tǒng)能夠在數(shù)字地圖上方的某個離地高度上規(guī)劃出一條性能最優(yōu)的三維航跡。它是無人直升機任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是確保無人直升機提高飛行器的作戰(zhàn)效能，圓滿完成偵察任務(wù)，有效實施遠(yuǎn)程精確打擊的有效手段，也是無人直升機實現(xiàn)自主控制，智能飛行的技術(shù)保障。因此。無人直升機的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用給航路規(guī)劃技術(shù)提出了更高的要求，針對于固定翼無人機，無人直升機有自身的特點， 無人直升機可垂直起降、對起降環(huán)境要求低，飛行速度低、高度低、可超低速飛行或懸停。對于這些特點，無人直升機的航路規(guī)劃較固定翼無人機有特殊性。這都使無人直升機航路規(guī)劃技術(shù)成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點之一。

對于無人直升機來說，飛機的安全性是放在首位考慮的問題之一，然而在無人直升機航路規(guī)劃過程中，對安全性問題的分析與判定是航路規(guī)劃的重要環(huán)節(jié)。也是影響規(guī)劃質(zhì)量的重要因素。本文核心內(nèi)容就是針對無人直升機航路規(guī)劃安全問題進(jìn)行分析，然后針對這些問題給出本文的解決方案。

2 安全性判定問題

一般情況下，航路規(guī)劃主要分為飛行前“離線規(guī)劃”，即在飛行前，人工或自動規(guī)劃一條滿足一定條件的飛行航線；另一種為飛行過程中“在線規(guī)劃”即在飛行過程中，根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行航跡的調(diào)整與規(guī)劃。無論是手動規(guī)劃還是半自動、自動規(guī)劃，航路規(guī)劃一般采取以下3個步驟：

（1）建立任務(wù)場景，輸入限制條件。一般場景中包含以下元素：控制站位置、任務(wù)區(qū)、規(guī)避區(qū)、威脅源、空域使用情況、站位情況、任務(wù)屬性等等。

（2）人工手動規(guī)劃或者采用航路規(guī)劃算法，根據(jù)一定條件對無人直升機的航路進(jìn)行規(guī)劃，并生成滿足一定條件的無人直升機的參考航路/航線。

（3）將規(guī)劃的航路供任務(wù)規(guī)劃使用（一般情況下，航路規(guī)劃是任務(wù)規(guī)劃的一部分）或加載至無人直升機獨立使用。

一般情況下一條規(guī)劃的航線包括飛行高度信息、飛行速度信息、航點特性信息、時間戰(zhàn)位信息等等。為了保證規(guī)劃航線的合理性需要結(jié)合飛機本身的特性以及飛行控制策略，合理的配置航線中航點的參數(shù)，時期既滿足任務(wù)需求，有保證飛行的安全。本文著重從速度判定、高度判定、航點特征字判定、數(shù)據(jù)鏈通信判定、控制律適應(yīng)判定以及燃油判定等6個方面闡述在航路規(guī)劃中對飛行安全的判定。而進(jìn)行安全性判定的前提條件為：

（1）可獲得無人直升機平臺參數(shù)以及控制律控制策略；

（2）可獲得規(guī)劃區(qū)域的三維地形數(shù)據(jù)，GIS數(shù)據(jù)。我們使用osgEarth作為我們基礎(chǔ)GIS功能開發(fā)工具和運行庫。加載局部30m高精度高程數(shù)據(jù)（.tif格式）。

2.1 速度判定

速度是無人直升機非常重要的一個參數(shù)，由于無人直升機的特性，無人直升機的速度跨度范圍比較廣，無人直升機可倒飛、可懸停、可側(cè)飛、可正常前飛。但從整體來看無人直升機的速度可分為低速階段、過度階段以及正常速度階段。在機上，速度分為地速和空速。一般情況地速來源于GPS/北斗等衛(wèi)星設(shè)備，空速來源于大氣機或慣導(dǎo)等設(shè)備。在低速時采用地速信號作為飛行控制律的速度控制量，空速信號基本處在不可用狀態(tài)。在正常速度階段，基本采用空速信號作為飛行控制律的速度控制量。而在過度速度階段，處在空速和地速的切換臨界階段。在航路規(guī)劃過程中，速度應(yīng)遵循以下判定準(zhǔn)則：

（1）速度應(yīng)處在飛機可飛范圍之內(nèi)；

（2）速度應(yīng)避開過渡段速度范圍；

（3）速度盡量設(shè)置為巡航速度值左右；

（4）為增強飛機抗風(fēng)等特性，飛機盡量不在低速范圍飛行；

（5）應(yīng)避開可能引起飛機共振的速度點。

2.2 高度判定

相比于固定翼無人機，無人直升機的飛行高度一般比較低，有時為了特殊需求需要貼地飛行。因此無人直升機對三維地形數(shù)據(jù)的精度要求比較高。

在高度判定準(zhǔn)則中，首先應(yīng)滿足無人機飛行的離地高度應(yīng)大于無人機的最小安全離地高度。在實際情況中，無人直升機在飛行過程中與理論/規(guī)劃的航線之間存在側(cè)偏距。

如上圖所示，在規(guī)劃的理論航跡周圍，以側(cè)偏距d，步長為s，虛擬出折線形“高度判定軌跡”，然后在“高度判定軌跡”中，每隔一定距離l取點p，經(jīng)過p點，做垂直于對應(yīng)航段的直線，與理論航線的交點為p1，以p1的理論飛行高度值，作為p點的飛行高度值。然后判定p點的飛行高度是否滿足最小離地要求。依次類推。判定所有航段的飛行高度是否滿足最小離地要求。

在無人機上根據(jù)不同的傳感器，獲取高度一般有無線電高度、衛(wèi)星高度/海拔高度、大氣高度、超聲波高度等。由于傳感器的量程和誤差等原因，在飛行控制策略中，童謠需要根據(jù)實際情況選擇不同的傳感器信號作為飛行控制律中的高度控制量。我們將切換高度傳感器的高度范圍作為過渡段高度。因此在過渡段高度范圍內(nèi)飛機處在高度波動比較大，在規(guī)劃高度時應(yīng)避開過渡段高度范圍。

除此之外無人直升機的飛行高度還應(yīng)滿足無線電通視要求。對于無線電通信對高度的要求在數(shù)據(jù)鏈通信判定一節(jié)中詳細(xì)描述。

2.3 數(shù)據(jù)鏈通視判定

數(shù)據(jù)鏈無線通信是無人直升機重要組成部分。在飛行過程中，正常狀態(tài)下需要保證無人直升機與控制站之間通信暢通。無人直升機測控系統(tǒng)的信息傳輸屬微波視距通信，一般認(rèn)為直線傳播，為了無線通信暢通最少需要滿足以下兩個條件：

（1）無人直升機與控制站之間無障礙遮擋；

（2）無人直升機的飛行高度應(yīng)滿足微波視距通信的視距要求。

為了判斷無人直升機與地面站之間是否有遮擋，我們在理論航跡上，從起飛點開始，每隔s米步長（s取值越小判定精度越高，計算工作量越大），取一個航線上的空間點P，將控制站是為一個質(zhì)點O，連接空間點P與O點 ，然后利用osgEarth的功能庫函數(shù)，判斷PO連線與地形曲面是否有交點。如果有交點則證明無人直升機在該點與控制站之間有遮擋，無法完成正常數(shù)據(jù)鏈無線通信。否則證明該點與控制站之間無遮擋。

對于微波視距通信的視距是指在兩個天線之間保持無障礙通信的最大距離，它與地球曲率、大氣折射、地面反射、氣候、地形等諸多因素有關(guān)。根據(jù)我國以往無人機系統(tǒng)飛行數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，可以把僅考慮地球曲率的幾何視線距離作為無線電視距。在地面的天線之間，設(shè)地面天線高度為h1，機載天線高度為h2，當(dāng)兩者的高度確定之后，就有一個與之對應(yīng)的視線距離。它是當(dāng)收發(fā)天線的連線和地面相切時，在地面上的大圓弧長d，如圖3所示。

而機載天線的高度基本可視為無人直升機的飛行高度。在這里我們設(shè)控制站天線高度已知。此時我們可根據(jù)航點離控制站的距離和控制站的天線高度，可得在該距離條件，滿足數(shù)據(jù)鏈微波視距的最低高度。因此飛機的飛行高度應(yīng)大于求得的最低高度值，最好有一定的余量。

2.4 控制律適應(yīng)性判定

飛控系統(tǒng)作為無人直升機最為核心的系統(tǒng)之一，是無人直升機的大腦，而飛行控制律就是其思想。對于一條航線，可分為若干航段，每個航段都有兩個航點。無人直升機某條航段的飛行動作都是有這條航點的兩個航點參數(shù)決定的。因此航點是整條航線的信息單元。在一條航段中包含，若干飛行過程，如加速過程、減速過程、爬高過程、下降過程、懸停過程、定速巡航過程等過程。這些過程作為基本的過程單元。除了這些基本的過程單元外，還包含協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)彎過程、盤旋過程等特殊過程或叫任務(wù)過程。一條航段可包含一種或多種基本的過程單元和若干特殊過程。這些過程的執(zhí)行都需要一定的飛行距離和時間，根據(jù)飛機的運行特性和控制律的控制策略，我們可以理論的計算出每個過程需要的理論飛行距離和時間，如果這條航段的長度小于理論上的基本過程（定速巡航過程比較特殊，需要單獨考慮）和特殊過程執(zhí)行過程的距離累加和，就可能出現(xiàn)飛行過程沒有按照設(shè)想的過程飛，有可能影響后續(xù)飛行過程，影響整個任務(wù)的執(zhí)行情況，甚至影響飛行安全。除此之外，由于受外界風(fēng)速、環(huán)境、溫度等影響，需要在每個過程單元中考慮一定的距離余量。保證該航段有足夠的長度，執(zhí)行所有的過程單元。對于不同的無人直升機他的控制策略都不大相同，加上該過程的計算非常簡單。因此此處的計算不做具體的介紹。

2.5 燃油預(yù)估判定

燃油消耗預(yù)估是影響飛行安全的重要因素之一。當(dāng)無人直升機的飛行航線確定后，通過對航線進(jìn)行分析，確定無人直升機包含哪些過程，然后計算每個過程的平均耗油率和持續(xù)時間，平均耗油率與持續(xù)時間相乘得到該階段的消耗預(yù)估油量。最后將每個過程的預(yù)估油量相加即得到整個飛行過程的總油量預(yù)估。計算公式如下：

其中GF為燃油消耗量，單位為千克（kg），n為航線飛行包含的飛行過程，為第i個飛行過程的平均耗油率，單位為千克/秒（ kg/s），t（i）為第i過程的持續(xù)時間。

在燃油預(yù)估計算中，關(guān)鍵是獲取飛行過程的耗油率。為了獲得高精度耗油率，我們開創(chuàng)性的發(fā)明一種耗油率自學(xué)習(xí)的方法。該方法是基于查耗油率數(shù)字圖表和飛行參數(shù)分析與統(tǒng)計相結(jié)合的方法，是一種混合預(yù)估方法?；趫D表的燃油預(yù)估方法使用簡單，計算速度快，基于飛行參數(shù)分析與統(tǒng)計的燃油預(yù)估方法在耗油率自訓(xùn)練的混合方法的比例不斷增加，從而自動的提高了對燃油消耗量的預(yù)估準(zhǔn)確性。該方法考慮了溫度和風(fēng)速等因素對燃油預(yù)估的影響，大大提高了燃油預(yù)估的精度。

除此之外，在飛行過程中，根據(jù)初始燃油量、已飛航程、已飛時間、待飛航程、待飛時間，修正剩余飛行任務(wù)的最低燃油消耗量的數(shù)據(jù)。使得對燃油的預(yù)估更加準(zhǔn)確。進(jìn)而保證有足夠的燃油完成剩余飛行任務(wù)。

3 總結(jié)

航路規(guī)劃是無人直升機任務(wù)規(guī)劃重要組成部分，本文只是從速度判定、高度判定、數(shù)據(jù)鏈通視判定、控制律適應(yīng)性判定以及燃油預(yù)估等5個方面，講述了保證飛行安全的方法和措施。當(dāng)然在航路規(guī)劃中，影響無人直升機飛行安全的因素還有很多，比如航線切換和在線調(diào)整過程中安全判定等。

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作者簡介

張大高（1984-），男，山東省棗莊市人。工程師，主要從事無人直升機測控與導(dǎo)航、指揮控制系統(tǒng)、任務(wù)規(guī)劃等方面的研究。

作者單位

中航工業(yè)直升機設(shè)計研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333000