直升机飞行管理系统特殊任务航路规划技术

王锦博，宁承威，宋伟，盛守照

(1. 南京航空航天大学 自动化学院，江苏 南京 210016； 2. 中国航空无线电电子研究所，上海 200233)

0 引言

飞行管理系统(flight management system, FMS)是现代飞机的核心航电设备之一，主要由飞行管理计算机、自动驾驶/飞行指引系统、自动油门、惯性基准系统组成[1]，是机上信息汇集和处理的中心。FMS集导航、制导、控制、显示、性能优化与管理功能为一体，可以大大减少飞行员的驾驶负担，实现直升机在整个飞行过程中的自动管理与控制[2-3]。

当前飞行管理系统依然是固定翼飞机占据主流位置，对于直升机飞行管理系统的研究相对较少，大多数为直接将固定翼飞机的飞行管理系统移植到直升机中[4]，并没有针对直升机做专门的功能优化。相对于固定翼，直升机具有垂直起降、良好的低空低速性能、对起降场地要求低等优势[5]，被广泛应用于抢险救援、医疗救护、消防救火、公安执法等领域，所以对直升机飞行管理系统研究具有重要的现实意义。

根据ARINC702协议，一个典型的飞行管理系统应包括综合导航功能、飞行计划管理功能、轨迹预测功能、飞行导引功能等[6]。本文针对直升机的任务场景，将任务航路自主规划功能集成到直升机飞行管理系统中。根据直升机飞行管理系统的要求，设计了直升机飞行导引算法。最终在QT5.9.2环境下完成了直升机飞行管理系统任务航路规划技术仿真验证。

1 直升机飞行管理系统设计

1.1 硬件平台设计

为了更好地理解直升机飞行管理系统的功能架构，本文设计的直升机飞行管理仿真系统为分布式半实物仿真系统，仿真平台硬件结构组成如图1所示。

图1 仿真平台硬件组成

直升机飞行管理仿真平台包括飞行管理仿真计算机、直升机模型仿真计算机、人机交互界面仿真计算机三部分，各个模块之间采用高速以太网连接，通过UDP协议实时传输数据。

1.2 软件平台设计

为了保证飞行管理系统的实时性与可靠性，飞行管理系统计算机采用VxWorks操作系统进行设计。飞行管理系统采用模块化设计，减少各个子模块之间耦合，便于扩展和二次开发。飞行管理系统软件组成如图2所示。

图2 仿真平台软件组成

2 任务航路规划

定点悬停是直升机最主要的飞行特色，不管是从事侦查、搬运还是救灾任务，定点悬停轨迹都是直升机飞行轨迹的一部分。不同于常规飞行航路规划，由于直升机在顺风悬停和侧风悬停时操纵较为复杂，且安全性较低，极易进入尾桨涡环状态，因此定点悬停轨迹需要特别规划一条逆风悬停航路。

2.1 定点悬停轨迹规划策略

直升机从当前位置沿初始转弯过渡航段转向顺风航段起始点位置，在顺风航段调整高度、速度至标准高度、速度，然后沿校正转弯过渡航段转向逆风航段，在逆风航段完成定点悬停。定点悬停轨迹示意图如图3所示。

图3 定点悬停轨迹示意图

定点悬停轨迹除了与风向有关外，还与风速、直升机与悬停点相对位置有关。当风速较小时，不考虑风的影响。当距悬停点较远时，直接朝向悬停点飞行，如图4(a)所示。当距悬停点较近时，需考虑直升机按照45°角进入悬停点，如图4(b)所示。当风速较大时，需要直升机逆风悬停。当距离悬停点较远时，需要计算逆风航段和过渡航段，引导直升机沿逆风航段飞向悬停点，如图4(c)所示。当距悬停点较近时，需要考虑构建顺风航段引导直升机飞往逆风航段，如图4(d)所示。

图4 定点悬停轨迹规划策略

2.2 定点悬停轨迹计算

由上述分析可知，直升机与悬停点距离较近时，悬停路径最为复杂，包括顺风航段、校正转弯航段以及逆风悬停航段。本节以高风速距离较近悬停轨迹为例，采用北东地坐标系，说明定点悬停轨迹的计算过程，如图3所示。

飞行员首先设定MARK点位置(xm,ym)、悬停点相对于标识点的距离Δd以及悬停高度hp。设此时风向为ψw，则悬停点位置(xp,yp)及航向ψp如下式所示。

(1)

ψp=ψw+π

(2)

逆风航段长度lu与降高减速所需水平距离有关，计算公式如下所示。

(3)

式中：lh为降高至hp所需水平距离；lv为减速至悬停所需水平距离；ht为标准高度；vt为标准速度；θ为直升机固定下滑梯度；a为直升机的加速度。

若lh>lv，则直升机以标准速度飞至开始减速点，随后开始减速；若lh

开始下降点坐标(xds,yds)计算公式为

(4)

直升机通过校正转弯航段将顺风航段与逆风航段连接起来，两段航段之间航向角相差180°。则开始下降点偏移坐标(xdf,ydf)为

(5)

式中R为转弯半径。

顺风航段的长度ld计算与逆风航段相似，与到达标准高度速度所需水平距离有关，数学表达式为

(6)

式中：l′h为降高至ht所需水平距离；l′v为减速至vt所需水平距离；hs为初始高度；vs为初始速度。则标识点偏移坐标(xof,yof)为

(7)

至此，定点悬停路径的航路点坐标解算完毕。

2.3 初始转弯轨迹规划

直升机由当前位置转移到定点悬停路径之间的航段称为初始转弯过渡航段。在该航段高度不发生变化，两个航路点的最短航路就是Dubins路径[7]。由于直升机在飞行过程中姿态不能有较大变化，所以直升机的Dubins路径只包括CLC路径，其中C表示圆弧段，L表示与C相切的直线段，示意图如图5所示。

图5 Dubins路径示意图

设计Dubins路径时，直升机航路需满足下式条件。

(8)

式中：R1表示起始圆半径；R2表示终止圆半径；d表示两圆圆心距。

直升机转弯半径与速度和滚转角有关，由于直升机转弯时坡度一定，且在初始转弯过渡航段的速度不变，所以R1=R2=R。则初始转弯过渡航段约束为：

(9)

以图5为例，计算Dubins路径参数。图中S(xs,ys)为直升机当前位置，航向角为α，F(xf,yf)为进入定点悬停路径位置，航向角为β。则圆O1圆心坐标为

(10)

圆O2圆心坐标为

(11)

式中(x1,y1)、(x2,y2)分别是两段圆弧的圆心坐标。

由几何关系可知，出弯点Ps和入弯点Pf坐标为

(12)

至此，初始转弯过渡航段航路点计算完毕。

3 飞行导引

FMS飞行制导技术分为水平导引与垂直导引。水平导引根据直升机相对于水平航迹(经度、纬度)的横向偏差生成水平操纵指令；垂直导引是在水平制导的基础上，依据垂直飞行计划和飞行航迹的垂直偏差产生总距、纵向周期变距操纵指令，从而自动引导直升机按照飞行计划执行。

3.1 水平导引律设计

本文采用L1制导律[8]设计水平航迹跟踪控制系统。首先考虑在目标路径上选择一个参考点，并通过参考点产生一个横滚指令。L1制导律示意图如图6所示。

图6 L1制导律示意图

由图6可知，L1制导律即在每一个时间点定义一个过参考点和直升机当前位置且与直升机速度向量相切的圆。因此，向心加速度为

(13)

式中：V为直升机地速；R为转弯半径；L1为直升机当前位置与参考点连线长度；η为直升机速度方向与连线的夹角。

又因为

η=η1+η2+η3，

(14)

又因为直升机通过滚转产生横向加速度，则

(15)

式中：g为重力加速度；φ为直升机滚转角。因此水平制导律定义如下：

(16)

3.2 垂直制导律设计

当选择接通垂直导航，飞行管理系统的垂直引导功能需要发出俯仰角和总距等控制指令，用于控制直升机的速度和飞行高度。

垂直剖面导引指令计算依赖于垂直和水平各点之间的距离以及在该点的速度、高度和时间。若第i条航段信息为

(17)

(18)

式中：hr为高度指令；ΔH为航段高度差；L为航段长度；l为直升机到当前航段起点的距离；h为直升机当前高度；θ为直升机爬升角。

为了准确跟踪四维航迹，满足航路点所需到达时间要求，需要对飞机当前的速度进行控制。因此飞机参考速度计算为

(19)

式中：Vd为直升机当前速度；Δt为预测时间与当前时间的误差；RTAi为第i个航点的要求到达时间；t为当前飞行时间。

4 实验结果及分析

利用百度数字地图提供丰富应用接口功能显示规划的航线和航点信息，通过C++与百度地图JavaScript脚本语言实时交互，给航线规划提供了稳定的软件设计环境。同时，采用QT Creator/C++集成开发环境实现人机交互界面开发，进行直升机飞行管理系统任务航路规划技术仿真验证。直升机飞行管理系统人机交互界面如图7所示。

图7 直升机飞行管理系统

针对定点悬停任务轨迹，加载任务地图，并设置任务的相关参数，得到完整的任务轨迹，测试结果如图8-图9所示。

图8 定点悬停轨迹测试结果图

图9 定点悬停仿真曲线

由图8-图9可知，直升机飞行管理系统能够自主规划出一条可执行定点悬停任务航路，且能够引导直升机按照飞行计划执行任务。完成了直升机飞行管理系统的任务航路规划功能的仿真验证，并且设计的直升机飞行管理软件具备良好的人机交互性能，操作简单，具有较好的工程应用价值。

5 结语

文中建立了分布式直升机飞行管理任务半实物仿真平台，对直升机定点悬停任务轨迹进行研究并将其集成到直升机飞行管理系统中；同时，根据直升机飞行管理系统的要求，设计了相应的直升机飞行引导算法；最终在直升机飞行管理系统平台上验证了本文设计的任务航路规划算法的合理性和正确性。为下一代直升机飞行管理系统国产化奠定了坚实的基础。