技术领域
[0001] 本
发明涉及天钩回收制导技术领域，尤其涉及一种基于窗口决策的高容错性的天钩回收方法。
背景技术
[0002] 目前常用的回收方式有常规跑道回收、伞降回收、垂直着陆回收、撞网回收及天钩回收等等。这些方法存在精确度低、对无人机的要求较高、容易造成无人机的损害等问题。
发明内容
[0003] 发明目的：为解决
现有技术中存在精确度低等问题，本发明提供一种基于窗口决策的高容错性的天钩回收方法。
[0004] 技术方案：本发明提供一种基于窗口决策的高容错性的天钩回收方法，该方法具体包括如下步骤：
[0005] 步骤1：根据无人机的
转弯半径、回收点D以及回收方向将回收路段分为：返航飞行段、
能量管理段、末端撞线段；所述末端撞线段包括下滑段和末端平飞段；
[0006] 步骤2，无人机飞至返航飞行段的终点后，进入能量管理段；
[0007] 步骤3，能量管理段中设有能量管理窗口，当无人机飞进能量管理窗口时，能量管理窗口判断无人机是否可以进入末端撞线段，如果可以，则进入末端撞线段，并转步骤4，否则无人机按照能量管理段的路径继续在能量管理段循环飞行，直至通过决策窗口，并转步骤4；
[0008] 步骤4：所述末端平飞段包括依次设置的回收决策窗口、平飞段和复飞决策窗口和，当无人机飞至下滑段的终点后，进入末端平飞段，当无人机飞进回收决策窗口时，回收决策窗口判断无人机是否能进行撞线，如果可以则无人机通过平飞段进入复飞决策窗口，并转步骤5；否则无人机进入平飞段并通过第一复飞段重新进入能量管理段，并转步骤3；
[0009] 步骤5：复飞决策窗口判断无人机是否能撞线成功，如果是，则
发动机熄火，回收完毕；否则无人机通过第二复飞段进入能量管理段，并转步骤3；
[0010] 步骤6：根据回收点以及回收航向的变化，除能量管理窗口，无人机其他航线上时实时更新整个无人机的航路。
[0011] 进一步的，所述步骤1中，具体划分能量管理段的方法为：根据回收点D的坐标(x，y，z)、能量管理段的起点WPE1与回收点D的
水平距离D1，以及预设好的WPE1距离地面的高度He，确定能量管理段的起点WPE1的坐标，所述WPE1与回收点D在z轴上的坐标值相同，所述D1的长度为：
[0012]
[0013] 其中dEW、dEW1、dEW2分别为能量管理窗口的长度、回收决策窗口的长度、复飞决策窗口的长度，dEW＝dEW1＝dEW2＝T*V，T为时间，V为无人机的速度；He＝50～100m，Hr为回收点D距离地面高度，γ为无人机的下滑
角， 其中 为无人机的最大下沉率，Vtas为无人机的
真空速，Rt为无人机的转弯半径：
[0014]
[0015] 其中， 为无人机的最大
滚转角，g为重
力加速度；
[0016] 以与WPE1在y，z轴坐标上的值相同，按照回收方向在与WPE1距离3Rt+dEW处设置航点WPE2；以与WPE2在x，y轴坐标上的值相同，按照逆
时针的方向在与WPE2距离3Rt处设置航点WPE3，以与WPE3在y，z轴坐标上的值相同，按照回收方向的反方向在与WPE3距离3Rt+dEW处设置航点WPE4；所述WPE1、WPE2、WPE3、WPE4构成的矩形为能量管理段；无人机在能量管理段飞行时依次根据航点WPE1、WPE2、WPE3、WPE4飞行。
[0017] 进一步的，所述步骤1中，返航飞行段的确定方法为：
[0018] 以无人机在定滚转角盘旋的转弯半径R为半径，根据点WPE1，在WPE1的x轴与y轴的平面上确定一个圆，且WPE1与该圆的圆心的连线与地面垂直，根据如下公式在该圆上找到切点WPR1的坐标(xR1，yR1)；
[0019]
[0020] 其中(x0，y0)为圆心的坐标，(xA，yA)为无人机返航初始
位置A的坐标；
[0021] 按照回收方向，返航飞行段由A→WPR1的线段、以及WPR1→WPE1的圆弧段构成。
[0022] 进一步的，所述步骤1中，末端撞线段的确定方法为：
[0023] 将能量管理窗口的终点设为末端撞线段的起点WPH1；所述能量管理窗口设置在WPE1与WPE2构成的航线上，且起点与WPE1之间的距离为2Rt；根据半径R1、点WPH1，确定一个圆，且该圆的圆心位于点WPH1的正下方，按照回收方向在该圆上设置航点WPH3，使得WPH3与圆心构成的线段和WPH1与圆心构成的线段之间的夹角为γ；半径R1为：
[0024]
[0025] 根据回收方向，设置一条经过点WPH3，且与地面的夹角为γ的直线Q；在该直线距离地面Hr+10m处设置航点WPH4；根据直线Q与回收点D的水平线，得到一条与直线Q、回收点D的水平线均相切的圆弧，且该圆弧与直线Q的切点为WPH4；在该圆弧与回收点D的水平线上的切点处设置航点WPH6；
[0026] 按照回收方向，下滑段由WPH1→WPH3的圆弧段、WPH3→WPH4的直线下滑段、WPH4→WPH6的圆弧段构成；WPH6→D为末端平飞段，所述回收决策窗口和复飞决策窗口为一段水平航线；所述回收决策窗口的起点设置在航点WPH6处，所述复飞决策窗口的中点设置在回收点D处，所述平飞段为由回收决策窗口的终点至复飞决策窗口起点的一段水平航线，平飞段的长度为Rt。
[0027] 进一步的，所述步骤5和步骤6中的第一、二复飞段的具体确定方法如下所示：
[0028] 第一复飞段：以在距离复飞决策窗口的起点的正上方Hr-He处设置航点WPG1；以与WPG1在x，y轴上的值相同，按照WPE2→WPE3的方向，在与WPG1距离3Rt处设置航点WPG2；则在第一复飞段，无人机进入平飞段后依次根据航点WPG1、WPG2、WPE3飞进能量管理段；并按照能量管理段的方向飞行；
[0029] 第二复飞段：以与WPG1在z，y轴的值相等，按照回收方向，在与复飞决策窗口的终点水平距离Rt处设置航点WPG3；以与WPG3在x，y轴上的值相同，按照WPE2→WPE3的方向，在与WPG3距离3Rt处设置航点WPG4；则在第二复飞段，无人机依次根据航点WPG3、WPG4、WPG2、WPE3飞进能量管理段；并按照能量管理段的方向飞行。
[0030] 进一步的，根据如下公式确定无人机在横侧向采用的模态：
[0031] |psivpre-psivnow|≤15°
[0032] 其中pisvpre为上上个航点到上一个航点的航线角，pisvnow为上一个航点到当前待飞航点的航线角，当无人机即将飞至当前待飞航点，若两个航线角之间满足上述公式，则在当前航段中无人机横侧向采用直线
跟踪策略进入下一段航路；若不符则采用圆弧跟踪策略进入下一段航路；无人机的横向制导律如下所示：
[0033]
[0034] 其中，δa为副翼
舵、P为滚转角速率、φ为滚转角、 为侧向速度偏差、 为航迹角偏差、 和 为控制律参数。
[0035] 进一步的，当无人机未能通过回收决策窗口或复飞决策窗口时，无人机采用定
空速爬升通过第一复飞段或第二复飞段爬升至与能量管理端相同高度的位置，在其他回收阶段无人机的纵向飞行策略均采用定高平飞的策略，无人机的纵向制导律为：
[0036]
[0037] 其中，δe为升降舵、Q为
俯仰角速率、θ为俯仰角、 为高度变化率偏差、和 为控制参数。
[0038] 进一步的，所述能量管理窗口通过如下公式判断无人机是否可以进入末端撞线段：
[0039]
[0040] 其中，ΔY为无人机的侧偏差、ΔH为无人机的高度差，W为无人机翼展长度，U为无人机安全撞线的高度范围；若无人机在能量管理窗口中满足上述公式，则能量管理窗口判定无人机可以进入末端撞线段。
[0041] 进一步的，所述回收决策窗口通过如下公式判断无人机是否能进行撞线：
[0042]
[0043] 若无人机在回收决策窗口中满足上述公式，则回收决策窗口判定无人机可以进行撞线。
[0044] 进一步的，所述复飞决策窗口通过如下公式判断无人机是否能撞线成功：
[0045]
[0046] VG＜Vs
[0047] 其中，Ax为无人机的轴向加速度、Ay为无人机的侧向加速度、VG为无人机相对于地面的速度，VS为
失速速度，ah为常数；若无人机在复飞决策窗口中满足上述公式中的任意一个，则复飞决策窗口判定无人机撞线成功。
[0048] 有益效果：
[0049] 1、本发明适用于舰载无人机天钩回收段制导，满足无人机天钩回收高
精度和特定方向的回收需求，并设定了回收判断窗口以及复飞航路和逻辑，结合了侧偏以及高度精确控制的制导方法，提高了了无人机天钩回收的可靠性。
[0050] 2、本发明是一种基于动态航路生成的天钩回收制导方法，在无人机的横侧向内进行动态的航路规划及生成；本发明通过多次无人机的天钩回收飞行应用试验，验证了本发明方法的有效性。
附图说明
[0052] 图2为末端撞线段侧视图；
[0053] 图3为无人机回收航路的俯视图和侧视图；
[0055] 图5为横侧向制导回路图；
[0056] 图6为纵向制导回路图。
具体实施方式
[0057] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0058] 本实施例提供一种基于窗口决策的高容错性的天钩回收方法。本发明根据回收点提供的回收点位置以及回收方向，再结合无人机当前位置，可以唯一确定一个回收航路，如图4所示，本实施例具体包括如下所示：
[0059] 步骤1、将整个回收段航路分为返航飞行段、能量管理段、末端撞线段；
[0060] 步骤2、在无人机完成巡航任务或者收到“返航”指令时，无人机确定返航飞行段的圆心，计算出返航的切点WPR1，在进入返航圆弧后调整无人机飞行航向与回收航向一致；无人机飞至返航飞行段的终点后，进入能量管理段；
[0061] 步骤3、能量管理段，包含WPE1、WPE2、WPE3、WPE4等航点，其主要作用是保证无人机的能量已经调整到能够进行下滑的状态，其中设置了一个能量管理窗口，当无人机飞进能量管理窗口时，能量管理窗口判断无人机是否可以进入末端撞线段，如果可以，则进入末端撞线段，并转步骤4，否则无人机按照能量管理段的路径继续在能量管理段循环飞行，直至通过决策窗口，并转步骤4。
[0062] 步骤4、末端撞线段，包含了WPH1、WPH3、WPGH4、WPH6、D等航点，其中WPH1→WPH3→WPH4→WPH6为下滑段的航路，D为回收点，WPH6→D为末端平飞段。末端平飞段还包含了回收决策窗口和复飞决策窗口；当无人机飞至下滑段的终点后，进入末端平飞段，当无人机飞进回收决策窗口时，回收决策窗口判断无人机是否能进行撞线，如果可以则无人机通过平飞段进入复飞决策窗口，并转步骤5；否则无人机进入平飞段并通过第一复飞段重新进入能量管理段，并转步骤3。
[0063] 步骤5、复飞决策窗口判断无人机是否能撞线成功，如果是，则发动机熄火，回收完毕；否则无人机通过第二复飞段进入能量管理段，并转步骤3。
[0064] 步骤6、根据回收点以及回收航向的变化，需要实时更新整个无人机的回收航路。
[0065] 在回收过程中，要求无人机能够准确压航线飞行，所以采用控制侧偏以及高度的制导方法。如回收点在一个运动目标上，如舰船或者回收车上，则需要对回收航路进行实时更新，保证无人机能够实时跟踪目标航线。
[0066] 当无人机不处于末端撞线段时，即无人机尚未通过能量管理窗口或者在进行复飞时，考虑到回收点行进速度相对无人机较小，因此按照1分钟一次的
频率调整航路。还需注意的是，为避免影响窗口决策的判断，在无人机通过能量管理窗口的过程中，不能更新航线。
[0067] 当无人机回收处于末端撞线段时，此时对航路实时性要求更高，在此阶段时，回收段航路每50ms更新一次。无人机通过给定上述动态航路生成，完成外回路制导，实现精确回收。
[0068] 返航飞行段：基于回收段的位置确定，从回收点往回收方向反向的方向能够找到航点WPE1(能量管理段的起点、返航飞行段的终点)，无人机在定滚转角盘旋的转弯半径R已知，可以得到返航圆弧的圆心位置，进而计算出返航切点的WPR1位置。
[0069] 航点WPE1的具体确定方法为：根据回收点D的坐标(x，y，z)、能量管理段的起点WPE1与回收点D的水平距离D1，以及预设好的WPE1距离地面的高度He，确定能量管理段的起点WPE1的坐标，所述WPE1与回收点D在z轴上的坐标值相同。
[0070] 返航飞行段是无人机进入回收段的入口，无人机想要进行回收都需要进入返航飞行段，返航飞行段将无人机调整到一个合适的位置和高度，准备进行回收段逻辑的执行。如图1所示，以R为半径，根据点WPE1，在WPE1的x轴与y轴的平面上确定一个圆，且WPE1与该圆的圆心的连线与地面垂直，根据如下公式在该圆上找到切点WPR1的坐标(xR1，yR1)：
[0071]
[0072] 其中(x0，y0)为圆心的坐标，(xA，yA)为无人机返航初始位置A的坐标；按照回收方向，如图1所示，返航飞行段由A→WPR1的线段、以及WPR1→WPE1的圆弧段构成。
[0073] 如图3所示，量管理段由WPE1、WPE2、WPE3、WPE4四个航点组成，该四个航点处在同一高度，且按照WPE1→WPE2→WPE3→WPE4的方向为逆时针方向；能量管理段有两个作用，第一是将无人机的能量调整到能够进行下滑的状态，无人机的能量主要体现在飞行高度以及飞行速度上；第二能量管理段设置了能量管理窗口，用于判断无人机能量是否已经达到能够下滑的状态，若是，则可进入末端撞线段，否则需要继续绕能量管理段飞行调整无人机状态。根据无人机以及撞线的具体条件设定能量管理段窗口的判断条件，无人机翼展为W米，无人机安全撞线的高度范围为U米。能量管理窗口通过如下公式判断无人机是否可以进入末端撞线段：
[0074]
[0075] 其中，ΔY为侧偏差、ΔH为高度差，可根据无人机特性的不同
修改窗口的大小。
[0076] 如图2所示末端撞线段由WPH1、WPH3、WPH4、WPH6、D五个个航点组成，其中WPH1→WPH3→WPH4→WPH6为下滑部分的航路。WPH1→WPH3阶段为下滑圆弧过渡、WPH3→WPH4阶段为直线下滑、WPH4→WPH6为指数拉起阶段；WPH6→D为末端平飞段。
[0077] 末端撞线段的作用是将无人机的高度调整到与回收点高度一致以及将侧偏差尽量消除，达到横侧向的精确跟踪。在末端平飞段有两个窗口：回收决策窗口和复飞决策窗口。所述回收决策窗口的起点设置在航点WPH6处，所述复飞决策窗口的中点设置在回收点D处，所述由回收决策窗口的终点至复飞决策窗口起点的一条水平航线为平飞段。若无人机通过回收决策窗口，会进入平飞段，进行撞线操作，否则无人机会通过WPG1→WPG2→WPE3→WPE4→WPE1航点进入能量管理段的第一个航点。若通过复飞决策窗口时，无人机检测到撞线成功，则发动机熄火；否则无人机会通过WPG3→WPG4→WPG2→WPE3→WPE4→WPE1等航点回到能量管理段的第一个航点。基于天钩回收的原理，ΔY最大不能超过无人机机翼翼展的一半，ΔH的限定与回收装置有关，可根据实际情况进行修改。回收决策窗口的判断条件为：
[0078]
[0079] 其中，Ax为轴向加速度、Ay为侧向加速度。无人机是否成功挂钩可以从过载和地速VG两方面来判断。在撞线时，由于无人机的航迹会发生很大的变化，所以拦阻绳对无人机的力有一部分会作用在无人机的侧向，选用轴向过载与侧向过载的平方和作为判断依据；ah为常数，与无人机撞线速度V以及回收装置的特性有关；为了增加安全裕度，避免过载
信号漏判造成撞线结果的误判，当无人机的地速小于失速速度VS，认为无人机撞线成功。
[0080] 或VG＜VS
[0081] 若无人机在复飞决策窗口中满足上述公式中的任意一个，则复飞决策窗口判定无人机撞线成功。
[0082] 复飞段由WPG1、WPG2、WPG3、WPG4等航点组成，与能量管理段的航路一起构成两个矩形。主要作用是提供一条可靠的轨迹让无人机重新进入能量管理段。同时，在无人机复飞的过程中还需要进行爬升，使无人机回到能量管理段的高度。
[0083] 现依照图3对回收航路各航点的位置进行说明。决策窗口的判断需要一定的时间，将能量管理窗口的长度、回收决策窗口的长度、复飞决策窗口的长度：dEW、dEW1、dEW2设置为2V米，V为无人机的速度，故每个窗口有2s的时间进行判断。
[0084] 回收点D的位置在复飞决策窗口的中间，L1的长度设置为V米；为了保证进行撞线前复飞时不撞到回收装置，设置L2的长度为Rt米，Rt为无人机的转弯半径；能量管理段后先进行下滑过渡，使无人机能够平滑进入直线下滑轨迹，提前量长度设置为Rt/2米；故整个下滑段WPH1→WPH6水平长度为 则：
[0085]
[0086] 为了保证无人机能进行最
短路径飞行，将L4的长度设定为Rt米，
[0087] L3的长度可通过上式计算出；无人机转弯后，留一个转弯半径的长度进行调整，进入能量管理窗口，L5长度设定为2Rt米；能量管理段宽度设定为3Rt米，
[0088] 则D1的长度为：
[0089]
[0090] 其中，He＝50～100m，Hr为回收点D距离地面高度，γ为无人机的下滑角；其中 为无人机的最大下沉率，Vtas为无人机的真空速；
[0091]
[0092] 其中 为无人机的最大滚转角，g为
重力加速度。
[0093] 确定WPE1、WPE2、WPE3、WPE4四个航点的位置：以与WPE1在y，z轴坐标上的值相同，按照回收方向在与WPE1距离3Rt+dEW处设置航点WPE2；以与WPE2在x，y轴坐标上的值相同，按照逆时针的方向在与WPE2距离3Rt处设置航点WPE3，以与WPE3在y，z轴坐标上的值相同，按照回收方向的反方向在与WPE3距离3Rt+dEW处设置航点WPE4；所述WPE1、WPE2、WPE3、WPE4构成的矩形为能量管理段；无人机在能量管理段飞行时依次根据航点WPE1、WPE2、WPE3、WPE4飞行。
[0094] 具体确定末端撞线端的方法为：将能量管理窗口的终点设为末端撞线段的起点WPH1；所述能量管理窗口设置在WPE1与WPE2构成的航线上，且起点与WPE1之间的距离为2Rt；根据半径R1、点WPH1，确定一个圆，且该圆的圆心位于点WPH1的正下方，按照回收方向在该圆上设置航点WPH3，使得WPH3与圆心构成的线段和WPH1与圆心构成的线段之间的夹角为γ；半径R1为：
[0095]
[0096] 根据回收方向，设置一条经过点WPH3，且与地面的夹角为γ的直线Q；在该直线距离地面Hr+10m处设置航点WPH4；根据直线Q与回收点D的水平线，得到一条与直线Q、回收点D的水平线均相切的圆弧，且该圆弧与直线Q的切点为WPH4；在该圆弧与回收点D的水平线上的切点处设置航点WPH6；
[0097] 当无人机按照WPH1→WPH3的圆弧飞行时，无人的坐标(x1，h)满足如下公式：
[0098] (x1-XO1)2+(h-XO1)2＝R12
[0099] 其中(XO1，HO1)为根据半径R1、点WPH1，确定一个圆的圆心
[0100] 当无人机按照WPH3→WPH4飞行的时候，飞行的高度轨迹为：
[0101] Hg＝He-Xtanγ
[0102] 其中，X为无人机位置与图2中点WPH2在沿着回收方向上的水平距离。
[0103] 当无人机按照WPH4→WPH6飞行的时候，其飞行的高度轨迹为：
[0104]
[0105] 其中，X1为无人机位置与D点在沿着回收方向上的水平距离。
[0106] 第一复飞段：以在距离复飞决策窗口的起点的正上方Hr-He处设置航点WPG1；以与WPG1在x，y轴上的值相同，按照WPE2→WPE3的方向，在与WPG1距离3Rt处设置航点WPG2；则在第一复飞段，无人机进入平飞段后依次根据航点WPG1、WPG2、WPE3飞进能量管理段；并按照能量管理段的方向飞行。
[0107] 第二复飞段：以与WPG1在z，y轴的值相等，按照回收方向，在与复飞决策窗口的终点水平距离Rt处设置航点WPG3；以与WPG3在x，y轴上的值相同，按照WPE2→WPE3的方向，在与WPG3距离3Rt处设置航点WPG4；则在第二复飞段，无人机依次根据航点WPG3、WPG4、WPG2、WPE3飞进能量管理段；并按照能量管理段的方向飞行。
[0108] 在天钩回收的过程中，无人机横侧向主要包含两种模态，直线航迹跟踪以及圆弧航迹跟踪，判断该航段采用的跟踪策略的方法为：
[0109] |psivpre-psivnow|≤15°
[0110] pisvpre表示前前航点到前一航点的航线角，pisvnow表示前一航点到当前待飞航点的航线角。若满足上式，即两个航段的航段角之差小于等于15°则当前航段采用直线跟踪策略，若航段角之差大于15°则当前航段采用圆弧跟踪策略。回收航路来说，需要拐弯的时候则为圆弧航迹跟踪，不需要拐弯的时候为直线航迹跟踪。直线跟踪与圆弧跟踪的控制结构相同，都是以控制侧偏和航迹角进行纠偏，且采用以控制航迹角为主，侧偏为辅的策略。其制导回路如图5所示
[0111] 横侧向制导律为：
[0112]
[0113] 其中，δa为副翼舵、P为滚转角速率、φ为滚转角、 为侧向速度偏差、 为航迹角偏差、 和 为控制律参数。
[0114] 无人机的纵向主要采用定高平飞以及定空速爬升两种策略。当无人机未能通过回收决策窗口以及复飞决策窗口时，无人机需要先爬升到与能量管理段同高的位置，此时无人机的纵向飞行策略为定空速爬升。保证空速的同时，无人机的迎角以及爬升角都处于一个比较稳定的状态，能有效保证无人机的安全。在回收的其他阶段，为了达到精确航迹跟踪的目的，无人机的纵向飞行策略均采用定高平飞的策略，最外环为高度差，
姿态环为无人机的俯仰角，增稳环控制无人机的俯仰角速率。在无人机进行末端撞线的下滑部分的时候，采用的也是该种策略。导回路如图6所示；
[0115] 纵向制导律为：
[0116]
[0117] 其中，δe为升降舵、Q为俯仰角速率、θ为俯仰角、 为高度变化率偏差、和 为控制参数。
[0118] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
