一种基于温度约束条件的长航时无人机飞行航线规划方法技术

本发明专利技术属于无人机航线规划技术领域，提供一种基于温度约束条件的长航时无人机航线规划方法。将长航时无人机任务阶段划分为任务准备阶段和任务实施阶段，在任务准备阶段设计“下降‑平飞‑上升”温度控制航线，对无人机载荷在任务准备阶段进行温度约束；设置巡航段转下降段航点的载荷温度为T

【技术实现步骤摘要】
一种基于温度约束条件的长航时无人机飞行航线规划方法
本专利技术属于无人机航线规划
，具体涉及一种基于温度约束条件的长航时无人机航线规划方法。
技术介绍
随着长航时无人机平台技术以及光学、微波等载荷技术的发展，航空对地观测系统得到了广泛的应用。长航时无人机飞行航线规划是有效开展对地观测飞行的基础，良好的航线规划方法能够综合考虑无人机、载荷及环境的约束条件，寻找任务飞行的最优航线，提高长航时无人机任务飞行效率，具有重要的科学研究意义和工程应用价值。目前，飞行航线规划主要采用手工设计和自动规划两种方式。手工设计航线通常根据预设的飞行任务手工计算满足任务和空域要求的航点，再根据飞机特性利用平滑曲线将航点连接，获得最终的任务飞行航线。这种方法较为灵活，但效率较低，没有可重复性，每次执行飞行任务之前都要重新计算航点形成航线，且随着飞行任务复杂度的提升，该方法已逐渐不能满足航线规划的需求。自动规划综合考虑目标区域、任务时间、能量消耗、环境限制等多种因素，寻找一条最优或满足要求的航线，以完成既定任务。在数学上可以抽象为在微分方程、等式和不等式约束条件下求解泛函极值的最优控制问题(ConwayB.Spacecrafttrajectoryoptimization[M]:CambridgeUniversityPress,2010)。基于智能优化算法的自动规划方法发展很快，取得了较好的效果，如利用遗传算法结合Dubins曲线可以获得综合代价最优的低空飞行航线，利用航线树动态搜索方法对航线进行全局优化获得飞行空域边界约束下的最短航线等。但是，上述飞行航线规划方法，无论是手工设计还是自动规划，多数只考虑了无人机性能、空域限制、目标区域及切入方向等约束条件，鲜有将载荷的工作温度作为约束条件，纳入到无人机飞行航线规划的考虑之中。目前应用的对地观测载荷中，有部分具有温度敏感性，比如双频激光雷达等，需要在一定的温度范围内才能开机工作。如果在飞行航线规划中不考虑载荷温度约束条件，很可能会导致载荷沿预设方向进入目标区域，但由于未达到工作温度而无法正常开机作业的情况。此时，只能令无人机盘旋，等待载荷温度调整，重新进入目标区域，这无疑大大降低了长航时无人机任务飞行的效率，且提升了任务飞行的风险。因此，有必要发展一种基于温度约束的长航时无人机飞行航线规划方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决长航时无人机飞行航线规划中无载荷温度约束条件，导致载荷进入目标区域后由于未达到工作温度无法正常开机作业的技术问题。为达到上述目的，本专利技术提出一种基于温度约束的长航时无人机飞行航线规划方法，其具体技术方案包括如下步骤：步骤1、将无人机任务阶段划分为任务准备阶段和任务实施阶段，将任务准备阶段无人机航线划分为下降段、平飞段和上升段，并设计“下降-平飞-上升”温度控制航线，对无人机载荷在任务准备阶段进行温度约束；步骤2、设置巡航段转下降段航点的载荷温度为T1，下降段转平飞段航点的载荷温度为T2，平飞段转上升段航点的载荷温度为T3，上升段转任务实施段航点的载荷温度为T4；步骤3、建立任务准备阶段温度控制方程组，如下：Φ＝AH(Te-T)(1)Φ(dt)＝Cm(dT)(2)Te＝T海平面-(6×h)(4)其中，Φ为传热功率；A、H、C、m为载荷特性参数，分别表示对流传热面积、对流传热系数、热容、质量，该系列参数通过测量或校飞获得经验拟合值；h为飞行海拔高度(单位Km)，s为平飞距离(单位Km)；T为载荷温度，Te为环境温度，二者均与高度h相关；V下降为下降段无人机在竖直方向的速度分量，V上升为上升段无人机在竖直方向的速度分量，V平飞为平飞段无人机的速度；(1)是牛顿冷却公式，表征飞行过程中，由于环境与载荷的温度差产生的传热功率；(2)是升温公式的微分形式，表征了在传热功率Φ的条件下，载荷的温度变化情况；(3)是时间与高度/距离关系式，这里将航线分为了下降段、平飞段和上升段，并且假设各段速度稳定；(4)是环境温度与海拔高度关系式，T海平面表示海平面处的温度，为已知参数；联立上述方程组，分别获得上升段和下降段的一阶非齐次线性微分方程，该方程具有通解如(5)所示K＝AH/Cm其中，K是由4种载荷特性参数构成的经验参数，J为通解的参数，h最低为平飞段的飞行海拔高度，由无人机性能与具体任务决定，为已知；根据长航时无人机对地观测任务需求，边界条件如下：T1＝T巡航高度(6)T4＝T目标高度(7)h1＝h巡航(8)h2＝h3＝h最低(9)h4＝h目标(10)其中，T巡航高度为无人机在巡航阶段的环境温度，T目标高度为无人机在目标区域的环境温度，h巡航为无人机的巡航飞行海拔高度，h最低为无人机的平飞段飞行海拔高度，h目标为无人机的任务飞行海拔高度；步骤4、经验参数K的获取设计与任务准备阶段轨迹相似的短距离飞行航线，开展无人机校飞，利用无人机载荷上加装的温度传感器，记录整个飞行过程中载荷温度与飞行海拔高度的实测值；利用公式(5)进行数据拟合，获得通解中的经验参数K；步骤5、计算下降段转平飞段航点的载荷温度T2利用公式(5)、经验参数K以及边界条件(6)、(8)、(9)计算得到下降段载荷温度函数T下降段(h)，进而获得下降段转平飞段航点的载荷温度T2步骤6、计算平飞段转上升段航点的载荷温度T3利用公式(5)、经验参数K以及边界条件(7)、(9)、(10)计算得到上升段载荷温度函数T上升段(h)，进而获得平飞段转上升段航点的载荷温度T3；步骤7、计算平飞段载荷温度函数T平飞(s)和航程S为便于计算，在下降段与平飞段的交界处，令s＝0，利用公式(5)、经验参数K、T2和T3，计算得到平飞段载荷温度函数T平飞(s)，进而获得平飞段航程S，具体如下：J平飞段＝T2-T最低高度步骤8、获得航线关键航点根据步骤7获得的平飞段航程S，无人机下降段和上升段的速度矢量由无人机性能决定，为已知，可获得上升段和下降段的航程；由目标航点逐步反推，即确定了上升段与任务实施段的交界点，平飞段与上升段的交界点，下降段与平飞段的交界点，巡航阶段与下降段的交界点；由此获得4个关键航点的位置和无人机速度矢量信息；步骤9、获得任务准备阶段的飞行航线将所述步骤8获得的4个关键航点位置和无人机速度矢量信息，利用两段圆弧与直线进行连接，即获得整个任务准备阶段的飞行航线。进一步的，两段圆弧与直线进行连接，获得整个任务准备阶段的飞行航线的过程如下，P1～P4分别为4个关键航点；O1～O4分别为与关键航点处无人机速度矢量相切的圆，且圆半径等于无人机下降或爬升圆弧半径，该参数与无人机性能相关，为已知；V1为无人机巡航速度；V2为无人机下降速度，其竖直方向竖直分量为V下降；V3为无人机平飞速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于温度约束条件的长航时无人机飞行航线规划方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1、将无人机任务阶段划分为任务准备阶段和任务实施阶段，将任务准备阶段无人机航线划分为下降段、平飞段和上升段，并设计“下降-平飞-上升”温度控制航线，对无人机载荷在任务准备阶段进行温度约束；/n步骤2、设置巡航段转下降段航点的载荷温度为T

【技术特征摘要】
1.一种基于温度约束条件的长航时无人机飞行航线规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将无人机任务阶段划分为任务准备阶段和任务实施阶段，将任务准备阶段无人机航线划分为下降段、平飞段和上升段，并设计“下降-平飞-上升”温度控制航线，对无人机载荷在任务准备阶段进行温度约束；
步骤2、设置巡航段转下降段航点的载荷温度为T1，下降段转平飞段航点的载荷温度为T2，平飞段转上升段航点的载荷温度为T3，上升段转任务实施段航点的载荷温度为T4；
步骤3、建立任务准备阶段温度控制方程组，如下：
Φ＝AH(Te-T)(1)
Φ(dt)＝Cm(dT)(2)



Te＝T海平面-(6×h)(4)
其中，Φ为传热功率；A、H、C、m为载荷特性参数，分别表示对流传热面积、对流传热系数、热容、质量，该系列参数通过测量或校飞获得经验拟合值；h为飞行海拔高度(单位Km)，s为平飞距离(单位Km)；T为载荷温度，Te为环境温度，二者均与高度h相关；V下降为下降段无人机在竖直方向的速度分量，V上升为上升段无人机在竖直方向的速度分量，V平飞为平飞段无人机的速度；
(1)是牛顿冷却公式，表征飞行过程中，由于环境与载荷的温度差产生的传热功率；
(2)是升温公式的微分形式，表征了在传热功率Φ的条件下，载荷的温度变化情况；
(3)是时间与高度/距离关系式，这里将航线分为了下降段、平飞段和上升段，并且假设各段速度稳定；
(4)是环境温度与海拔高度关系式，T海平面表示海平面处的温度，为已知参数；
联立上述方程组，分别获得上升段和下降段的一阶非齐次线性微分方程，该方程具有通解如(5)所示



其中，K是由4种载荷特性参数构成的经验参数，J为通解的参数，h最低为平飞段的飞行海拔高度，由无人机性能与具体任务决定，为已知；
根据长航时无人机对地观测任务需求，边界条件如下：
T1＝T巡航高度(6)
T4＝T目标高度(7)
h1＝h巡航(8)
h2＝h3＝h最低(9)
h4＝h目标(10)
其中，T巡航高度为无人机在巡航阶段的环境温度，T目标高度为无人机在目标区域的环境温度，h巡航为无人机的巡航飞行海拔高度，h最低为无人机的平飞段飞行海拔高度，h目标为无人机的任务飞行海拔高度；
步骤4、经验参数K的获取
设计与任务准备阶段轨迹相似的短距离飞行航线，开展无人机校...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕良，陈磊，孟志鹏，
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