3. 任务规划概述

在VTOL（垂直起降）飞行器的工程实践中，任务规划并不是简单地在地图上画一条航线，而是把飞行意图、平台能力、环境条件与安全边界统一转化为可执行、可监控、可切换的指令集合。它位于“任务需求”与“飞控执行”之间，是连接决策层与执行层的关键桥梁。理解任务规划的定义、层次结构、输入输出、约束条件与规划周期，是后续安全切换设计的前提。

一、任务规划的定义与核心作用

任务规划（Mission Planning）是指在给定飞行器性能、载荷能力、空域规则和任务目标的条件下，对飞行剖面、航路点序列、速度/高度剖面、能源分配、通信链路以及应急策略进行预先设计与动态调整的过程。其核心作用可以概括为三点：

• 意图转译：把“从A点运送物资到B点”这类自然语言任务，转译为航点、高度、速度、悬停时间等可量化参数。
• 约束满足：确保规划结果不违反电池容量、最大爬升率、禁飞区、通信距离等硬性限制。
• 安全前置：在规划阶段就嵌入返航点、备降点、迫降走廊和切换触发条件，而不是等到飞行中再临时决策。

对于VTOL而言，任务规划还必须处理“垂直起降段—过渡段—固定翼巡航段—再过渡—垂直降落段”的多模态衔接，这使得规划对象比纯旋翼或多旋翼更复杂。

二、任务规划的层次结构

工程上通常把任务规划划分为三个层次，自顶向下依次为任务层、航路层和轨迹层。三者时间尺度不同、抽象程度不同，但必须保持一致性。

层次	规划对象	典型时间尺度	输出形式
任务层	任务目标、起降点、载荷投放顺序、备降策略	分钟～小时级	任务清单、航点序列、应急返航点
航路层	航路点、高度剖面、速度剖面、过渡走廊	秒～分钟级	航路点表、高度/速度约束
轨迹层	连续位置、姿态、加速度、能耗曲线	毫秒～秒级	轨迹点、控制指令、切换触发量

任务层回答“做什么”，航路层回答“走哪里”，轨迹层回答“怎么飞”。安全切换逻辑通常同时监听航路层与轨迹层的状态量，例如剩余电量、链路质量、位置偏差和姿态角速率。

三、输入与输出

任务规划的输入可分为四类：任务类、平台类、环境类和规则类。输出则是一组可被飞控和任务管理计算机消费的结构化数据。

输入示例：
任务类：起降点坐标、载荷重量、投放顺序、时间窗口
平台类：最大起飞重量、电池容量、巡航速度、过渡高度
环境类：风速风向、温度、气压高度、GNSS可见性
规则类：禁飞区、最小离地高度、通信失效返航半径

输出示例：
航点表：WP01(31.230,121.470,120m,15m/s)
过渡段：VTOL→FW 在 H=80m，空速≥18m/s
应急点：HOME、ALT01、ALT02
切换阈值：SOC<25% 触发返航，链路RSSI<-95dBm 触发备降

值得注意的是，输出不仅是“期望轨迹”，还包括“约束边界”和“切换条件”。后者是安全切换工程直接依赖的接口。

四、约束条件与规划周期

约束条件可分为硬约束与软约束。硬约束不可违反，例如电池剩余能量必须大于返航所需能量、航路不得穿越禁飞区；软约束用于优化，例如总航时最短、能耗最低、乘客舒适度最高。规划周期则指从任务下发到规划结果可用的时间预算，以及飞行中重规划的触发周期。

下图展示了VTOL任务规划从输入到输出的整体关系，以及三个层次与安全切换触发点之间的连接。

五、案例场景：城市医疗物资VTOL配送

某医院到血站的VTOL配送任务，航程18 km，载荷5 kg，巡航高度120 m。任务层规划起降点、投放顺序和两个备降点；航路层设置过渡高度80 m、巡航速度22 m/s、过渡空速阈值18 m/s；轨迹层生成爬升—过渡—巡航—下降—悬停投放的连续轨迹。约束条件包括：电池SOC低于25%必须返航、链路RSSI低于-95 dBm触发备降、风速大于12 m/s暂停起飞。规划周期为地面预规划10分钟，机上每2秒检查一次重规划条件。当飞行中检测到前方禁飞区临时激活时，系统在1.5秒内生成绕飞航路，并同步更新安全切换阈值。

六、常见误区与复盘

综上，任务规划是VTOL任务执行链路的起点，也是安全切换设计的输入源。只有把定义、层次、输入输出、约束和周期五个要素同时理清，才能让后续的切换逻辑有据可依、有界可守。