[0001] 本发明涉及定位导航技术领域，具体涉及一种基于高程地图的无人机应急降落方法及系统。

[0002] 目前，随着无人机的应用愈发广泛及普及，使得在使用无人机时需考虑在发生意外故障、空中撞机及其他可能导致无人机需应急着陆事件后相关的处置。目前，无人机大部分是通过预先设定好的航线及指令或通过视距链路实时发送指令的方式进行控制，与有人驾驶的飞机相比，在无人机发生上述故障后，无人机存在失控乃至坠毁的可能，进而对降落区域人员、设施及无人机本身造成威胁，在此种情况下的应急着陆对于当前大部分无人机系统不是一个简单的任务。

[0003] 当无人机发动机发生故障需要应急着陆时，着陆区域人员、设施安全及飞机安全均需妥善考虑，针对这种状况完成应急着陆，亟待提供一种无人机应急着陆方法，保证降落区域人员、设施及无人机安全。

[0056] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

[0057] 本公开的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

[0058] 此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0059] 多个，包括两个或者两个以上。

[0060] 和/或，应当理解，对于本公开中使用的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

[0061] 本发明技术方案提供了一种基于高程地图的无人机应急着陆方法，包括：

[0062] 步骤1：实时监控无人机各传感器、航电设备工作状态，进行预警，以发动机为例，实时监控发动机的工作电压、转速、油压情况，当发动机的上述指标与正常状态不一致情况下，险情监控系统判定发动机处于故障状态；

[0063] 步骤2：发生故障后，基于无人机所处的位置、高度，通过高程地图和原预计降落点位置、高度，结合无人机的无动力下滑参数。进行归航判定，若具备返回原降落点的能力，则已降落点附近自主生成的等待区为目标点进行返航，返航使用的横向控制律为航迹跟踪控制，使用的纵向控制律定速下滑控制，到达区域后则执行步骤3；若不具备，则基于无人机所处的位置、高度，通过高程地图，结合无人机的无动力下滑参数选取附近周边较为平坦的区域作为备选降落区域，通过地面站显示在地图上，通过飞控操作手及载荷操作手(若具备)手动确认，无人机自动已该区域为目标点进行返航，返航使用的横向控制律为航迹跟踪控制，使用的纵向控制律定速下滑控制，到达区域后则执行步骤3；

[0064] 步骤3：到达区域后，实时判断降落窗口高度，若不满足降落高度，则盘旋降高等待；若满足，则接入自动着陆控制，使用的横向控制律为航迹跟踪控制，使用的纵向控制律为着陆下滑控制。

[0065] 上述的航迹跟踪控制律为：

[0066]

[0067]

[0068] 其中，δa为副翼控制量，p为滚转角速度， 为航迹角， 为航迹角给定， 为滚转角速度比例控制系数， 为航迹偏差比例控制系数， 为滚转偏差比例控制系数，φ为滚转角，φg为滚转角给定， 为侧偏距比例控制系数，ΔY为侧偏距。

[0069] 上述的定速下滑控制律为：

[0070]

[0071]

[0072] 其中δe为升降舵控制量，q为俯仰角速度，θ为俯仰角，θg为俯仰角给定。V为指示空速，Vg为空速给定， 为俯仰角速度比例控制系数, 为俯仰角比例控制系数, 为空速偏差比例控制系数， 为空速偏差积分控制系数。

[0073] 上述的着陆下滑空速控制律为：

[0074]

[0075] 其中V为指示空速，Vg为空速给定。Vc为控制速度给定，H为下沉率，Hg为下沉率给定， 为高度偏差比例控制系数， 为高度偏差积分控制系数。

[0076] 上述的通过高程地图确定能否返回预计降落点的方法如下：

[0077]

[0078] 其中，ΔS为单位时间内的距目标点前进的水平距离，ΔZ单位时间内的距目标点下降的垂直距离，该值为通过气动模型估算的无动力下滑参数。通过该值计算得出下滑轨迹线，通过与高程地图进行比较，确定能否返回预计降落点。

[0079] 上述的通过高程地图计算降落区域的方法为：

[0080]

[0081]

[0082]

[0083] 其中，a‑h为八个高程地图单元， 和 分别为从中心单元i开始的水平和垂直方向上的直线高程变化率(也即无动力下滑参数)，x和y为单元格的尺寸。

[0084] 本发明技术方案还提供一种基于高程地图的无人机应急着陆系统，包括：

[0085] 险情监控单元，用于实时监控无人机的设备工作状态进行预警，指标异常时判定为处于故障状态；

[0086] 归航判定单元，用于归航能力判定，若具备，则以原降落点附近自主生成的等待区为目标点区域进行返航；若不具备，则选取附近周边较为平坦的区域为目标点区域进行返航；

[0087] 返航着陆单元，用于到达所述目标点区域后，实时判断降落窗口高度，若不满足降落高度，则盘旋降高等待；若满足，则接入自动着陆控制进行应急着陆。

[0088] 实施例

[0089] 如图1所示，为基于高程地图的无人机应急着陆方法流程图。在飞行过程中，险情监控系统持续运行，用于实时监控无人机各传感器、航电设备工作状态，在工作状态出现异常的情况下进行预警，以发动机停车故障为例，该险情监控系统实时监控发动机的工作电压、转速、油压情况，当发动机的上述指标与正常状态不一致情况下，险情监控系统判定发动机处于故障状态，进而将该报警信息上传至飞行控制软件交由飞行操控手手动确认，经确认后执行应急处置。首先无人机飞控系统基于无人机所处的位置、高度，通过高程地图和原预计降落点位置、高度，结合无人机的无动力下滑参数。进行归航判定，若具备返回原降落点的能力，则已降落点附近自主生成的等待区为目标点进行返航，返航使用的横向控制律结构如图2航迹跟踪控制律结构图所示，使用的纵向控制律如图3定速下滑控制律结构图所示。若不具备返航至预计降落点，则基于无人机所处的位置、高度，通过高程地图，结合无人机的无动力下滑参数选取附近周边较为平坦的区域作为备选降落区域，选取方法如图5所示，通过分析区域梯度，选取平坦区域，后通过地面站显示在地图上，由飞控操作手及载荷操作手(若具备)手动确认，无人机自动已该区域为目标点进行返航，返航使用的横向控制律如图2航迹跟踪控制律结构图所示，使用的纵向控制律如图4着陆下滑控制律结构图所示。

[0090] 图6给出了航迹跟踪控制示意图。该控制系统包括的部件有：

[0091] 飞行控制计算机，主要负责将传感器部件的测量信号加以处理，通过控制律形成符合控制要求的信号，进而传输指令至执行机构，控制执行机构运转；舵机，是操纵舵面的执行机构，由飞行控制计算机输出的控制信号来控制其摇臂的转动角度，继而控制舵面；机载卫星导航设备，用于测量无人机经度、纬度、海拔高度、地速、地速方向、天速、航向角、滚转角、俯仰角等导航参数；光纤陀螺,用于提供高精度无人机姿态信息，可实时提供角速度和加速度信息；磁航向传感器，用于测量无人机磁偏角；气压高度/空速测量装置，用于测量无人机气压高度和指示空速；无线电高度表,用于测量无人机与地面的相对高度。

[0092] 在航迹跟踪控制系统中，飞行控制计算机将上述传感器测得的磁偏角、滚转角、滚转角速率、偏航角速率、侧偏距信息加以处理通过航迹跟踪控制律形成符合控制要求的信号，进而传输指令至副翼舵机，最终使无人机持续跟踪给定航迹。

[0093] 图7给出了下滑控制示意图。该控制系统包括的部件有：

[0094] 飞行控制计算机，主要负责将传感器部件的测量信号加以处理，通过控制律形成符合控制要求的信号，进而传输指令至执行机构，控制执行机构运转；舵机，是操纵舵面的执行机构，由飞行控制计算机输出的控制信号来控制其摇臂的转动角度，继而控制舵面；机载卫星导航设备，用于测量无人机经度、纬度、海拔高度、地速、地速方向、天速、航向角、滚转角、俯仰角等导航参数；光纤陀螺,用于提供高精度无人机姿态信息，可实时提供角速度和加速度信息；磁航向传感器，用于测量无人机磁偏角；气压高度/空速测量装置，用于测量无人机气压高度和指示空速；无线电高度表,用于测量无人机与地面的相对高度。

[0095] 在下滑控制系统中，飞行控制计算机将上述传感器测得的无人机空速、俯仰角、俯仰角速率、下沉率等信息加以处理通过下滑控制律形成符合控制要求的信号，进而传输指令至升降舵舵机，最终使无人机持续跟踪给定下滑。

[0096] 综上，本发明提出了一种基于高程地图的无人机应急着陆方法及系统，当无人机发生故障尤其发动机停车而需要应急着陆时能够迅速完成自动处置，避免了在手动操作的模式下很大程度的依赖使用人员的操作水平，同时该方法使用了高程地图进行实时同步分析，确定无人机是否具备返回预计着陆点能力，若无法飞回预计降落点则自动计算备选降落区域，执行应急着陆方案，保证降落区域人员、设施及无人机安全。

[0097] 需要说明的是，在本文中，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、物品或者装置不仅包括那些要素，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、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

[0098] 上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

[0099] 通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

[0100] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。