直升機飛行管理系統特殊任務航路規劃技術

王錦博，寧承威，宋偉，盛守照

(1. 南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 210016； 2. 中國航空無線電電子研究所，上海 200233)

0 引言

飛行管理系統(flight management system, FMS)是現代飛機的核心航電設備之一，主要由飛行管理計算機、自動駕駛/飛行指引系統、自動油門、慣性基準系統組成[1]，是機上信息匯集和處理的中心。FMS集導航、制導、控制、顯示、性能優化與管理功能為一體，可以大大減少飛行員的駕駛負擔，實現直升機在整個飛行過程中的自動管理與控制[2-3]。

當前飛行管理系統依然是固定翼飛機占據主流位置，對于直升機飛行管理系統的研究相對較少，大多數為直接將固定翼飛機的飛行管理系統移植到直升機中[4]，并沒有針對直升機做專門的功能優化。相對于固定翼，直升機具有垂直起降、良好的低空低速性能、對起降場地要求低等優勢[5]，被廣泛應用于搶險救援、醫療救護、消防救火、公安執法等領域，所以對直升機飛行管理系統研究具有重要的現實意義。

根據ARINC702協議，一個典型的飛行管理系統應包括綜合導航功能、飛行計劃管理功能、軌跡預測功能、飛行導引功能等[6]。本文針對直升機的任務場景，將任務航路自主規劃功能集成到直升機飛行管理系統中。根據直升機飛行管理系統的要求，設計了直升機飛行導引算法。最終在QT5.9.2環境下完成了直升機飛行管理系統任務航路規劃技術仿真驗證。

1 直升機飛行管理系統設計

1.1 硬件平臺設計

為了更好地理解直升機飛行管理系統的功能架構，本文設計的直升機飛行管理仿真系統為分布式半實物仿真系統，仿真平臺硬件結構組成如圖1所示。

圖1 仿真平臺硬件組成

直升機飛行管理仿真平臺包括飛行管理仿真計算機、直升機模型仿真計算機、人機交互界面仿真計算機三部分，各個模塊之間采用高速以太網連接，通過UDP協議實時傳輸數據。

1.2 軟件平臺設計

為了保證飛行管理系統的實時性與可靠性，飛行管理系統計算機采用VxWorks操作系統進行設計。飛行管理系統采用模塊化設計，減少各個子模塊之間耦合，便于擴展和二次開發。飛行管理系統軟件組成如圖2所示。

圖2 仿真平臺軟件組成

2 任務航路規劃

定點懸停是直升機最主要的飛行特色，不管是從事偵查、搬運還是救災任務，定點懸停軌跡都是直升機飛行軌跡的一部分。不同于常規飛行航路規劃，由于直升機在順風懸停和側風懸停時操縱較為復雜，且安全性較低，極易進入尾槳渦環狀態，因此定點懸停軌跡需要特別規劃一條逆風懸停航路。

2.1 定點懸停軌跡規劃策略

直升機從當前位置沿初始轉彎過渡航段轉向順風航段起始點位置，在順風航段調整高度、速度至標準高度、速度，然后沿校正轉彎過渡航段轉向逆風航段，在逆風航段完成定點懸停。定點懸停軌跡示意圖如圖3所示。

圖3 定點懸停軌跡示意圖

定點懸停軌跡除了與風向有關外，還與風速、直升機與懸停點相對位置有關。當風速較小時，不考慮風的影響。當距懸停點較遠時，直接朝向懸停點飛行，如圖4(a)所示。當距懸停點較近時，需考慮直升機按照45°角進入懸停點，如圖4(b)所示。當風速較大時，需要直升機逆風懸停。當距離懸停點較遠時，需要計算逆風航段和過渡航段，引導直升機沿逆風航段飛向懸停點，如圖4(c)所示。當距懸停點較近時，需要考慮構建順風航段引導直升機飛往逆風航段，如圖4(d)所示。

圖4 定點懸停軌跡規劃策略

2.2 定點懸停軌跡計算

由上述分析可知，直升機與懸停點距離較近時，懸停路徑最為復雜，包括順風航段、校正轉彎航段以及逆風懸停航段。本節以高風速距離較近懸停軌跡為例，采用北東地坐標系，說明定點懸停軌跡的計算過程，如圖3所示。

飛行員首先設定MARK點位置(xm,ym)、懸停點相對于標識點的距離Δd以及懸停高度hp。設此時風向為ψw，則懸停點位置(xp,yp)及航向ψp如下式所示。

(1)

ψp=ψw+π

(2)

逆風航段長度lu與降高減速所需水平距離有關，計算公式如下所示。

(3)

式中：lh為降高至hp所需水平距離；lv為減速至懸停所需水平距離；ht為標準高度；vt為標準速度；θ為直升機固定下滑梯度；a為直升機的加速度。

若lh>lv，則直升機以標準速度飛至開始減速點，隨后開始減速；若lh

開始下降點坐標(xds,yds)計算公式為

(4)

直升機通過校正轉彎航段將順風航段與逆風航段連接起來，兩段航段之間航向角相差180°。則開始下降點偏移坐標(xdf,ydf)為

(5)

式中R為轉彎半徑。

順風航段的長度ld計算與逆風航段相似，與到達標準高度速度所需水平距離有關，數學表達式為

(6)

式中：l′h為降高至ht所需水平距離；l′v為減速至vt所需水平距離；hs為初始高度；vs為初始速度。則標識點偏移坐標(xof,yof)為

(7)

至此，定點懸停路徑的航路點坐標解算完畢。

2.3 初始轉彎軌跡規劃

直升機由當前位置轉移到定點懸停路徑之間的航段稱為初始轉彎過渡航段。在該航段高度不發生變化，兩個航路點的最短航路就是Dubins路徑[7]。由于直升機在飛行過程中姿態不能有較大變化，所以直升機的Dubins路徑只包括CLC路徑，其中C表示圓弧段，L表示與C相切的直線段，示意圖如圖5所示。

圖5 Dubins路徑示意圖

設計Dubins路徑時，直升機航路需滿足下式條件。

(8)

式中：R1表示起始圓半徑；R2表示終止圓半徑；d表示兩圓圓心距。

直升機轉彎半徑與速度和滾轉角有關，由于直升機轉彎時坡度一定，且在初始轉彎過渡航段的速度不變，所以R1=R2=R。則初始轉彎過渡航段約束為：

(9)

以圖5為例，計算Dubins路徑參數。圖中S(xs,ys)為直升機當前位置，航向角為α，F(xf,yf)為進入定點懸停路徑位置，航向角為β。則圓O1圓心坐標為

(10)

圓O2圓心坐標為

(11)

式中(x1,y1)、(x2,y2)分別是兩段圓弧的圓心坐標。

由幾何關系可知，出彎點Ps和入彎點Pf坐標為

(12)

至此，初始轉彎過渡航段航路點計算完畢。

3 飛行導引

FMS飛行制導技術分為水平導引與垂直導引。水平導引根據直升機相對于水平航跡(經度、緯度)的橫向偏差生成水平操縱指令；垂直導引是在水平制導的基礎上，依據垂直飛行計劃和飛行航跡的垂直偏差產生總距、縱向周期變距操縱指令，從而自動引導直升機按照飛行計劃執行。

3.1 水平導引律設計

本文采用L1制導律[8]設計水平航跡跟蹤控制系統。首先考慮在目標路徑上選擇一個參考點，并通過參考點產生一個橫滾指令。L1制導律示意圖如圖6所示。

圖6 L1制導律示意圖

由圖6可知，L1制導律即在每一個時間點定義一個過參考點和直升機當前位置且與直升機速度向量相切的圓。因此，向心加速度為

(13)

式中：V為直升機地速；R為轉彎半徑；L1為直升機當前位置與參考點連線長度；η為直升機速度方向與連線的夾角。

又因為

η=η1+η2+η3，

(14)

又因為直升機通過滾轉產生橫向加速度，則

(15)

式中：g為重力加速度；φ為直升機滾轉角。因此水平制導律定義如下：

(16)

3.2 垂直制導律設計

當選擇接通垂直導航，飛行管理系統的垂直引導功能需要發出俯仰角和總距等控制指令，用于控制直升機的速度和飛行高度。

垂直剖面導引指令計算依賴于垂直和水平各點之間的距離以及在該點的速度、高度和時間。若第i條航段信息為

(17)

(18)

式中：hr為高度指令；ΔH為航段高度差；L為航段長度；l為直升機到當前航段起點的距離；h為直升機當前高度；θ為直升機爬升角。

為了準確跟蹤四維航跡，滿足航路點所需到達時間要求，需要對飛機當前的速度進行控制。因此飛機參考速度計算為

(19)

式中：Vd為直升機當前速度；Δt為預測時間與當前時間的誤差；RTAi為第i個航點的要求到達時間；t為當前飛行時間。

4 實驗結果及分析

利用百度數字地圖提供豐富應用接口功能顯示規劃的航線和航點信息，通過C++與百度地圖JavaScript腳本語言實時交互，給航線規劃提供了穩定的軟件設計環境。同時，采用QT Creator/C++集成開發環境實現人機交互界面開發，進行直升機飛行管理系統任務航路規劃技術仿真驗證。直升機飛行管理系統人機交互界面如圖7所示。

圖7 直升機飛行管理系統

針對定點懸停任務軌跡，加載任務地圖，并設置任務的相關參數，得到完整的任務軌跡，測試結果如圖8-圖9所示。

圖8 定點懸停軌跡測試結果圖

圖9 定點懸停仿真曲線

由圖8-圖9可知，直升機飛行管理系統能夠自主規劃出一條可執行定點懸停任務航路，且能夠引導直升機按照飛行計劃執行任務。完成了直升機飛行管理系統的任務航路規劃功能的仿真驗證，并且設計的直升機飛行管理軟件具備良好的人機交互性能，操作簡單，具有較好的工程應用價值。

5 結語

文中建立了分布式直升機飛行管理任務半實物仿真平臺，對直升機定點懸停任務軌跡進行研究并將其集成到直升機飛行管理系統中；同時，根據直升機飛行管理系統的要求，設計了相應的直升機飛行引導算法；最終在直升機飛行管理系統平臺上驗證了本文設計的任務航路規劃算法的合理性和正確性。為下一代直升機飛行管理系統國產化奠定了堅實的基礎。