一种无人机航迹生成方法技术

本发明专利技术提供一种无人机航迹生成方法，在飞行环境和无人机动力学约束建模后利用航迹算法生成初始航迹，并对生成的航迹进行删减处理，减少节点数量，缩短路径长度；结合无人机转弯半径动力学约束条件，对处理后的航迹进行平滑处理：至满足无人机总航程约束为止。本发明专利技术结合无人机飞行环境、无人机初末位置，能加快无人机航迹规划算法速度、保证生成航迹即为满足无人机给定约束的可行航迹，同时生成的航迹光滑连续，可延长无人机滞空时间，有效提高无人机执行任务的能力，在无人机航迹规划中具有广泛的应用前景。

A path generation method of UAV

【技术实现步骤摘要】
一种无人机航迹生成方法
本专利技术属于无人机
，具体涉及无人机航迹规划技术。技术背景随着航空技术和电子技术的发展，无人机因其成本低、易控制等优势，广泛应用于军事与民用领域，诸如敌情侦察、协同打击、地形勘探、地理测绘、线路巡检等。中小型无人机执行任务复杂多样，使用环境复杂，对生存能力要求较高，无人机航迹规划就是在综合考虑无人机到达时间、油耗、威胁以及飞行区域等因素的前提下，为无人机规划出最优或满意的飞行航迹，以保证圆满地完成飞行任务，无人机航迹规划方法是无人机自主飞行的核心技术，近年来也得到了广泛关注。无论是在军事还是民用领域，好的航迹规划系统都是提高无人机安全性能，保证无人机出色完成任务的重要手段。无人机航迹规划的本质是路径规划，即寻找适当的策略构成连接起点到终点位置的由序列点或曲线组成的路径，因此用于航迹规划的算法实际上也就是路径规划算法。常用于航迹规划的航迹生成算法有深度优先与广度优先、Dijkstra算法、A*算法、D*算法、快速扩展随机树(Rapidly-ExploringRandomTree：RRT)、人工势场法(APF:ArtificialPotentialField)、Voronoi图法等，采用的优化搜索算法有遗传算法(GeneticAlgorithm：GA)、进化算法、蚁群算法等。这些方法各有优缺点，采用优化搜索算法能得到性能较优的航迹，如总里程最短，但是航迹生成耗费时间相对较长，采用Dijkstra算法、D*算法等进行航迹生成耗时较短，航迹为可行航迹，但一般长度较长，性能不占优势，人工势场法利用PH曲线来产生航迹，路径曲率连续，但在相同的曲率约束下路程更长，飞行时间更长。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是解决现有技术中无人机航迹规划时效率不佳的技术问题。为了解决上述技术问题，提出如下的技术方案：本专利技术提供一种无人机航迹生成方法，包括如下步骤：步骤1、进行飞行环境和无人机动力学约束建模；步骤2、利用航迹算法生成初始航迹；进一步的，可以利用RRT算法生成初始航迹；步骤3、对生成的航迹进行删减处理，减少节点数量，缩短路径长度；进一步的，对生成的航迹进行删减处理有两种选择：可以从目标点开始，也可以从起始点开始；步骤4、结合无人机转弯半径动力学约束条件，对处理后的航迹进行平滑处理：S1、设未考虑无人机飞行约束条件，A为起始点，C为目标点，无人机飞行路径为直线段S2、考虑转弯半径动力学约束条件，令r为无人机转弯半径，O为无人机转弯中心，圆弧为转弯飞行段，无人机由D点进入转弯状态后在E点出转弯状态进入EC直线飞行段，即新路径为直线段圆弧直线段S3、计算得出圆弧过渡时D、E坐标，由此基于航路点信息和转弯圆心、转弯半径对无人机进行导航，使得无人机实际飞行路径和导航航迹重合；步骤5、如果平滑后的航迹超出无人机航程约束，则重复步骤2～步骤4，直至满足无人机总航程约束为止。本专利技术的有效收益如下：1、本专利技术针对复杂战场环境下对航迹规划的快速、实用性的需求，提出了一种高效且能够满足无人机性能约束的工程化航迹生成方法；2、为了使现有路径生成算法生成路径满足无人机实际需求，本方法引入节点删减、转弯平滑等操作，使生成的航迹能够满足无人机的转弯半径约束和连续飞行的要求，使航迹得到优化，这种方法结合无人机飞行环境、无人机初末位置，能加快无人机航迹规划算法速度、保证生成航迹即为满足无人机给定约束的可行航迹，同时生成的航迹光滑连续，可延长无人机滞空时间，有效提高无人机执行任务的能力，在无人机航迹规划中具有广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术无人机航迹搜索环境栅格化建模示意图；图2为本专利技术无人机最大转弯角约束示意图；图3为本专利技术考虑转弯角约束生成初始航迹示意图；图4为本专利技术从目标点开始对生成航迹进行裁剪示意图；图5为本专利技术从目标点开始对航迹进行删减后得到的航迹示意图；图6为本专利技术从初始点开始对航迹进行删减后得到的航迹示意图；图7为本专利技术航路点A、B、C位置示意图；图8为本专利技术圆弧过渡时各点位置示意图；图9为本专利技术对如图5所示航迹平滑处理之后的航迹示意图；图10为对本专利技术如图6所示航迹平滑处理之后的航迹示意图。具体实施方式下面结合实例、附图对本专利技术进行详细的阐述。实现本专利技术所提出的无人机航迹规划总体流程是：步骤一：飞行环境和无人机动力学约束建模飞行环境模型包括自然环境建模和威胁区建模，自然环境建模主要是地形起伏的威胁，如高山，威胁区主要考虑无人机飞行程中的禁飞区等。本方法假设无人机进行等高飞行，在二维水平面内进行环境建模，将设定的飞行高度上对无人机飞行有可能造成威胁的山峰和高地向水平面上进行投影形成自然环境模型。飞行环境模型确定后，对地图进行栅格分区处理，为后续寻找附近节点做准备，栅格化处理时其网格步长需考虑无人机飞行速度、禁飞区特征长度等因素，同时还需兼顾离散后搜索空间大小等因素。如图1即为对地图的处理结果，黑色部分即为需考虑的禁飞区和高山、高地等的约束。生成无人机可行航迹，需考虑的无人机动力学约束主要有：转弯半径约束：r≥Rmin。不同的无人机其转弯半径不同，航迹生成时，所考虑转弯半径为其最小转弯半径，小于该值时，生成的航迹不可行。转弯角度约束：φ≤φmax。生成的航迹只能在小于或等于无人机机动性能约束的最大转弯角范围内转弯，否则该航迹不可行。航程约束：Lpath≤Lmax，即生成的航迹长度必须在无人机最大航程范围内，否则超出无人机性能范围，该航迹不可行。步骤二：利用航迹生成算法生成初始航迹本专利技术中可通过查阅文献了解该方法的详细步骤(如博士论文：基于智能优化与RRT算法的无人机任务规划方法研究，李猛，南京航空航天大学，2012)。当然使用A*算法、D*算法或其他的航迹生成方法亦在本专利技术的保护范围之内。本步骤中，基于无人机飞行速度V(单位为米/秒)、无人机最小转弯半径R(单位为米)、禁飞区长度尺度L(单位为米)设置算法搜索步长(取min(V,R，L))，假设无人机飞行速度为30米/秒，无人机最小转弯半径为80米，需要考虑禁飞区的最小半径为50米，由于设置搜索步长为30米。本步骤考虑中无人机转弯角度约束，如图2所，假定当前节点为pi，前一节点为pi-1，搜索的新的子节点为pi+1，则步骤三：对生成的航迹进行处理，减少节点数量，缩短路径长度；对于图3所示的生成路径，从目标点O开始进行节点裁剪，如图4所示，由于线段OA6和障碍有交点，因此目标点的前一航路点为A5，中间节点A1、A2、A3、A4两节点被丢弃。从A5开始，对剩下的节点依次进行判断，最终得到的航迹如图5中实线所示所示。需要说明的是，对航迹进行删减时，有两种选择：可以从目标点开始，也可以从起始点开始，二者得到的航迹不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机航迹生成方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1、进行飞行环境和无人机动力学约束建模；/n步骤2、利用航迹算法生成初始航迹/n步骤3、对生成的航迹进行删减处理，减少节点数量，缩短路径长度；/n步骤4、结合无人机转弯半径动力学约束条件，对处理后的航迹进行平滑处理：/nS1、设未考虑无人机飞行约束条件，A为起始点，C为目标点，无人机飞行路径为直线段

【技术特征摘要】
1.一种无人机航迹生成方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、进行飞行环境和无人机动力学约束建模；
步骤2、利用航迹算法生成初始航迹
步骤3、对生成的航迹进行删减处理，减少节点数量，缩短路径长度；
步骤4、结合无人机转弯半径动力学约束条件，对处理后的航迹进行平滑处理：
S1、设未考虑无人机飞行约束条件，A为起始点，C为目标点，无人机飞行路径为直线段
S2、考虑转弯半径动力学约束条件，令r为无人机转弯半径，O为无人机转弯中心，圆弧为转弯飞行段，无人机由D点进入转弯状态后在E点出转弯状态进入EC直线飞行段，即新路径为直线段圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈小庆，朱得糠，王波，孟志鹏，吕良，李彤，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11