专利名称：一种无人机飞行阶段转换方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于无人机的飞行阶段转换方法，属于无人机飞行控制领域。
技术背景为了进行更为准确可靠的控制，人们常常将飞机的飞行过程人为地划分成不同的飞行 阶段，对应每一个飞行阶段的控制策略和目标是不一样的。具有自主控制功能的无人机， 通常以飞行阶段为标志将飞机飞行全过程进行分阶段控制，各个飞行阶段之间能够按照预 先设计的转换条件进行自动转换，无人机会自动地根据每个飞行阶段进行相应的控制，最 终实现全过程的自动控制。飞行阶段的划分，是设计者根据所设计的不同控制策略来确定的。以往，对于飞行阶 段关注的重点在于如何设计每个飞行阶段的控制规律，以达到精确控制的目的，而往往忽 略了这样的设计带来的隐患不同飞行阶段对应的控制策略是不同的，那么不同飞行阶段 飞机的状态也是不同的，因此飞行阶段之间的转换应该非常谨慎，如果在不该发生飞行阶 段转换的时候进行了转换，那么会给无人机发出错误的控制信息，不仅不能达到预期的控 制目标，严重时还会造成事故。比如，将无人机的飞行过程按顺序依次划分为如下的飞行阶段准备段、起飞段、爬 升段、定高段、进场段、下滑段、拉平段、飘落段和滑行段。1、 准备段。此阶段飞机处于停机状态，进行起飞前的检测工作，为起飞做好准备。2、 起飞段。此时发动机处于最大转速状态，襟翼处于"起飞"位置，刹车松开，飞机 开始滑跑，速度不断增加，当达到离地速度时，飞机自动离地，当飞机爬升到10m 15m 时，起落架收起，进入爬升段。3、 爬升段。此阶段主要控制空速，确保飞机以一定的速度继续爬升，当到达安全高度 后收起襟翼。4、 定高段。飞机保持在预先设定的高度上沿着预先规划的航线巡航飞行。5、 进场段。无人机执行完任务后自动下降高度，当下降到预定高度(250 500m)时保 持在此高度，并自动按预先设计的程序放下起落架和襟翼，与此同时无人机获得着陆引导 系统提供的引导信息，修正对跑道的方位。此阶段主要控制飞机的空速，自动减小飞行速 度，但不应使下滑速度低于无人机失速速度的1.3 1.5倍。6、 下滑段。当无人机获得最终进场指令并截获下滑窗口后，即自动开始以一定的下滑轨迹角(2.5°~6°)下滑。与此同时，自动修正无人机的侧滑角和由于侧风干扰所引起的轨迹 偏差，使无人机对准跑道中心线。7、 拉平段。当无人机飞行高度到达拉平决策高度后，自动增大俯仰角使飞机抬头，同 时升降速度开始逐步增加，飞机下降变慢。8、 飘落段。拉平阶段结束后，无人机理想的距离地面高度为0.5~0.8米。经过自动 调整速度和迎角达到着陆接地速度后，无人机起落架主轮接触地面、继而前轮着地完成飘 落段。9、 滑行段。此阶段主要控制飞机的侧偏距，使飞机在跑道中心线上滑行。当机轮接触 地面后，根据无人机气动结构配置可采用阻力板、机轮刹车等方法减少滑行距离。该无人机的飞行全过程中，它的飞行阶段应该根据每两个阶段之间的转换条件，按照 上述的顺序依次自动转换的。如果起飞段没有转入爬升段，而是转到了拉平段，那么由于 控制目标完全不一样，很可能造成严重的飞行事故。因此，如何确保飞行阶段之间的安全转换，这对于自主型无人机的安全来说是非常必 要的。发明 内容本发明的目的是提出一种无人机飞行阶段转换方法，利用该方法，能够提高无人机在 飞行阶段转换时的安全性和可靠性，避免由于飞行阶段的转换造成危害，从而提高飞行安全。为达到这样的目的，本发明的构思是第一，利用飞行阶段按飞行过程划分的这一特点，对各飞行阶段之间的转换进行限定， 使得飞行阶段按顺序依次转换，避免随意性转换，即某一个飞行阶段的进入或退出都是以 前一飞行阶段为前提的；第二，根据每一飞行阶段的特征，对每个飞行阶段转换的所有条件都进行判断，这种复合条件判断能够避免单一条件转换的危险；第三，在一个飞行控制系统中，从数据的获得直到最终控制量的解算，这一过程包含 数据釆集、转换、存储等多个环节，运用计算机的数字化控制系统所需的大量数据最终都 是以二进制方式进行工作的，这样就不可避免地存在随机跳变的可能；因此，针对这种随 机跳变的现象，可以进行连续多次判断是否满足条件，从而降低这种小概率事件的发生。根据以上构思，如果将无人机的飞行过程按顺序依次划分为准备段、起飞段、爬升段、 定高段、进场段、下滑段、拉平段、飘落段和滑行段，用A和B代表这些飞行阶段中相邻的某两个阶段，在满足了 A转换为B所需的条件时，飞行阶段由A转换为B。本发明飞行阶段转换方法包括以下三个步骤步骤一无人机自动判断飞行阶段是否为A，如果为A，则进入步骤二；否则，不能 进入步骤二，飞行阶段不能由A转换为B;步骤二在步骤一的基础上，判断是否满足A转换为B所需的所有条件，如果同时满 足，则可进入步骤三；否则，飞行阶段保持为A;步骤三在步骤二的基础上，如果连续M次都能同时满足A转换为B所需的所有条 件，则飞行阶段由A转换为B;否则，返回步骤一；其中，M代表转换域值，是连续满足 A转换为B所需的所有条件的最少次数，M>=3， M为经验值， 一般取M-5。本发明的优点在于1、 通过对飞行阶段转换进行顺序转换和复合条件判断的限制，能够提高无人机飞行阶 段转换的安全性；2、 通过连续多次判断是否满足条件，能够提高无人机飞行阶段转换的可靠性，避免随 机转换现象。
图l是本发明无人机飞行阶段转换方法的流程示意图； 图2是某无人机的三个飞行阶段转换示意图； 图3是飞行阶段由准备段转换为起飞段的转换流程示意图； 图4是飞行阶段由起飞段转换为爬升段的转换流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施步骤作进一步说明。图1是本发明无人机飞行阶段转换方法的流程示意图。如图l所示，设定A、 B为无 人机飞行阶段中的两个相邻飞行阶段，要完成飞行阶段A至飞行阶段B的转换，其飞行阶 段转换的流程为(1) 判断当前飞行阶段是否为A，如果为A，则继续判断是否满足A转换为B所需 的所有条件；如果不能同时满足A转换为B所需的所有条件，则飞行阶段不能由A转换 为B;(2) 如果A转换为B所需的所有条件都能同时满足，则计数器+1，继续判断计数器 是否大于等于M;如果不能同时满足A转换为B所需的所有条件，则飞行阶段保持为A， 其中A转换为B所需的所有条件是依A和B所代表的不同阶段而相应变化的；(3) 如果计数器大于等于M，则飞行阶段由A转换为B，至此完成飞行阶段A至飞行阶段B的转换；否则，返回(1)重新判断。 以下是本发明应用的一个实例图2是某无人机的三个飞行阶段转换示意图。如图2所示，某无人机的起飞过程划分 为三个飞行阶段准备段、起飞段、爬升段。在满足相应阶段转换的条件下，飞行阶段可 从准备段、起飞段、爬升段依次进行转换，完成起飞过程。各个飞行阶段转换的条件如下 所述在准备段，当起飞指令有效、襟翼处于"起飞"位置、松刹车有效三个条件同时满足 时，则飞行阶段由准备段转换为起飞段；在起飞段，当飞行高度大于50m、空速大于100km/h、起落架已经收起时，飞行阶段由起飞段转换为爬升段；以准备段转换为起飞段、起飞段转换为爬升段为例，其他的飞行阶段转换类似，该方 法具体的实施步骤说明如下一、准备段转换为起飞段步骤一无人机自动判断飞行阶段是否为准备段，如果是准备段，则进入步骤二；否则，飞行阶段不能由准备段转换为起飞段；步骤二判断是否同时满足准备段转换为起飞段所需的所有条件(1) 接收到起飞指令；(2) 襟翼处于"起飞"位置；(3) 接收到松刹车指令；如果以上三个条件同时满足，则进入步骤三；否则，飞行阶段保持为准备段； 步骤三取连续满足准备段转换为起飞段所需的以上三个条件的最少次数M-5，即如果连续5次步骤二所述三个条件同时满足，则飞行阶段由准备段转换为起飞段；否则返回步骤一重新判断。图3是飞行阶段由准备段转换为起飞段的流程示意图。如图3所示，该流程如下(1) 判断当前飞行阶段是否为准备段，如果为准备段，则继续判断是否同时满足接收 到起飞指令、襟翼处于"起飞"位置、接收到松刹车指令三个条件；如果不为准备段，则 飞行阶段不能由准备段转换为起飞段；(2) 如果接收到起飞指令、襟翼处于"起飞"位置、接收到松刹车指令三个条件同时 满足，则计数器+1，继续判断计数器是否大于等于5;如果不能同时满足接收到起飞指 令、襟翼处于"起飞"位置、接收到松刹车指令三个条件，则飞行阶段保持为准备段；(3) 如果计数器大于等于5，则飞行阶段由准备段转换为起飞段；否则，返回(1)重新判断。二、起飞段转换为爬升段步骤一无人机自动判断飞行阶段是否为起飞段，如果是起飞段，则进入步骤二；否则，飞行阶段不能由起飞段转换为爬升段；步骤二判断是否同时满足起飞段转换为爬升段所需的所有条件(1) 飞行高度大于50m;(2) 空速大于100km/h;(3) 起落架已收起；如果以上三个条件同时满足，则进入步骤三；否则，飞行阶段保持为起飞段； 步骤三取连续满足起飞段转换为爬升段所需的以上三个条件的最少次数M-5，即如果连续5次步骤二所述三个条件同时满足，则飞行阶段由起飞段转换为爬升段；否则返回步骤一重新判断。图4是飞行阶段由起飞段转换为爬升段的流程示意图。如图4所示，该流程如下(1) 判断当前飞行阶段是否为起飞段，如果为起飞段，则继续判断是否同时满足飞行 高度大于50m、空速大于100km/h、起落架已收起三个条件；如果不为准备段，则飞行 阶段不能由准备段转换为起飞段；(2) 如果飞行高度大于50m、空速大于100km/h、起落架已收起三个条件同时满 足，则计数器十1 ，继续判断计数器是否大于等于5;如果不能同时满足飞行高度大于50m、 空速大于100km/h、起落架已收起三个条件，则飞行阶段保持为起飞段；(3) 如果计数器大于等于5，则飞行阶段由起飞段转换为爬升段；否则，返回(1) 重新判断。本方法已经应用于某无人机的飞行控制系统，确保了其飞行阶段的安全可靠地转换， 效果良好。
权利要求
1、一种无人机飞行阶段转换方法，如果将无人机的飞行过程按顺序依次划分为准备段、起飞段、爬升段、定高段、进场段、下滑段、拉平段、飘落段和滑行段，其特征在于，用A和B代表上述飞行阶段中相邻的某两个阶段，要完成飞行阶段A至飞行阶段B的转换，则其转换步骤为步骤一无人机自动判断飞行阶段是否为A，如果为A，则进入步骤二；否则，不能进入步骤二，飞行阶段不能由A转换为B；步骤二在步骤一的基础上，判断是否满足A转换为B所需的所有条件，如果同时满足，则可进入步骤三；否则，飞行阶段保持为A；步骤三在步骤二的基础上，如果连续M次都能同时满足A转换为B所需的所有条件，则飞行阶段由A转换为B；否则，返回步骤一。
2、 根据权利要求1所述的一种无人机飞行阶段转换方法，其特征在于步骤三所述 的M代表转换域值，是连续满足A转换为B所需的所有条件的最少次数，且满足]/[>==3， M为经验值， 一般取M-5。
3、 根据权利要求1所述的一种无人机飞行阶段转换方法，其特征在于步骤二所述 的判断A转换为B所需的所有条件是依A和B所代表的不同阶段而相应变化的；当A代表准备段，B代表起飞段时，A转换为B所需的所有条件为i. 接收到起飞指令，ii. 襟翼处于"起飞"位置，iii. 接收到松刹车指令；当A代表起飞段，B代表爬升段时，A转换为B所需的所有条件为i. 飞行高度大于50m,ii. 空速大于100km/h，iii. 起落架已收起。
全文摘要
本发明提供了一种无人机飞行阶段转换方法。根据飞行阶段按飞行过程划分的特点，对飞行阶段的转换进行限定，使得飞行阶段按顺序依次转换，避免随意性转换；利用每一飞行阶段的特征，进行复合条件判断，避免单一条件转换的危险；针对随机跳变的现象，进行连续多次判断是否满足条件，从而降低小概率危险事件的发生。该方法能够提高无人机在飞行阶段转换时的安全性和可靠性，避免由于阶段的转换造成危害，从而提高飞行安全。
文档编号G05D1/00GK101256410SQ200810103110
公开日2008年9月3日 申请日期2008年3月31日 优先权日2008年3月31日
发明者张翠萍, 勇 王, 王宏伦 申请人:北京航空航天大学