一种基于Dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法技术

本发明专利技术公开的一种基于Dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法，属于航迹规划技术领域。本发明专利技术实现方法为：根据实际任务需要，考虑终端航向角约束，快速生成基于Dubins路径的可行航迹，通过考虑无人机运动学约束信息和航程信息，采取分段补偿策略对Dubins路径中的直线段进行航程调整，将无人机航迹规划过程中时间一致性约束转化为定航程问题，使得多无人机航程一致，并在航程调整后依然使得各架无人机保持直线段飞行方向，引导多无人机同时抵达目标位置，即实现多架无人机的时空一致性。本发明专利技术具有满足复杂约束、短时间内生成可行航迹的优点。所述复杂约束包括无人机运动学约束、时间一致性约束和终端航向角约束。一致性约束和终端航向角约束。一致性约束和终端航向角约束。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法


[0001]本专利技术涉及一种基于Dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法，属于航迹规划


技术介绍

[0002]现代战争中，固定翼无人机以其速度快、航程远的优势得到了广泛的应用，但在动态环境和规划区域的约束下，其操作难度大、灵活性低的特点也增加了航迹规划方法的技术难度。此外，考虑到战场环境和任务需求的日益复杂和快速变化，航迹规划的时效性成为满足约束性需求的重要研究方向。
[0003]近年来，为了进一步研究多无人机协同航迹规划的及时性和高效性，许多路径规划方法受到了广泛关注，如A*算法、人工势场法、遗传算法、几何方法等。虽然已有许多具有代表性的研究成果，但对于调速性和机动性较差的固定翼无人机的航迹规划方法应用较少，应用于多固定翼无人机的协同航迹规划更是鲜有提及。因此，在有限的任务区域内，由于无人机速度调节能力和机动性较差，路径规划问题难以获得可行解，导致不能实时有效的完成给定的协同任务。此外，现有的方法大多是离线生成可行路径，不能满足多无人机在线规划和同步的要求。
[0004]为此，若无人机飞行速度固定，则时间一致性约束可转化为航程约束。航程调节法即是在固定飞行速度的条件下，直接通过调节无人机航程以满足时间一致性约束，具备快速生成多无人协同可行解的能力。

技术实现思路

[0005]本专利技术公开的一种基于Dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法，要解决的技术问题为：根据实际任务需要，考虑终端航向角约束，快速生成基于Dubins路径的可行航迹，通过考虑无人机运动学约束信息和航程信息，采取分段补偿策略对Dubins路径中的直线段进行航程调整，将无人机航迹规划过程中时间一致性约束转化为定航程问题，使得多无人机航程一致，并在航程调整后依然使得各架无人机保持直线段飞行方向，引导多无人机同时抵达目标位置，即实现多架无人机的时空一致性。本专利技术具有满足复杂约束、短时间内生成可行航迹的优点。所述复杂约束包括无人机运动学约束、时间一致性约束和终端航向角约束。
[0006]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0007]本专利技术公开的一种基于Dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法，根据获得无人机飞行性能参数信息、航迹约束信息和任务环境信息。建立无人机运动学、时间一致性约束和航迹规划模型。以最小化单架无人机航程为目标，基于Dubins路径算法对每一架无人机分别进行二维航迹规划，所述二维航迹规划均包含四种Dubins路径方案；以航程调整能力最大和单架无人机航程最短为择优目标，定制评价准则函数，通过所述评价准则函数选择最优Dubins路径方案快速得到满足终端航向角约束的无人机初始航迹，并根据无人机初
始航迹中起始角度调整量和末角度调整量以及直线段起点、终点计算最优Dubins路径方案对应的初始航迹长度。在无人机初始航迹的基础上，通过考虑无人机运动学约束信息和航程信息，采取分段补偿策略对Dubins路径中的直线段进行航程调整，将无人机航迹规划过程中时间一致性约束转化为定航程问题，使得多无人机航程一致，并在航程调整后依然使得各架无人机保持直线段飞行方向，得到直线补偿段航迹表，依次拼接起始角度调整量对应的航迹表、直线补偿段航迹表、末角度调整量对应的航迹表生成总航迹，引导多无人机同时抵达目标位置，即实现多架无人机的时空一致性。
[0008]本专利技术公开的一种基于Dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法，包括如下步骤：
[0009]步骤一：获得无人机飞行性能参数信息、航迹约束信息和任务环境信息。所述的无人机飞行性能参数信息包括无人机飞行速度、最大转弯角和最小航迹段长度。所述的航迹约束信息包括无人机的飞行起点位置、起点飞行方向、目标点位置和目标点飞行方向。所述的任务环境信息包括飞行区域信息。
[0010]步骤二：建立无人机运动学、时间一致性约束和航迹规划模型。
[0011]步骤2.1：建立无人机运动学模型。
[0012]无人机的飞行速度为定值，则无人机的二维运动学模型为
[0013][0014]其中，(x,y)表示无人机的二维位置坐标；V表示无人机的飞行速度；u是无人机的航向角。
[0015]步骤2.2：建立时间一致性约束模型。
[0016]时间一致性约束要求无人机从起点抵达目标点的飞行时间的偏差在无人机飞行时间偏差限ε
t
以内。由于航迹点不包括准确的时间信息，为了满足无人机时间一致性约束，根据无人机飞行航程计算得到每个航迹点对应的近似剩余飞行时间。以近似剩余飞行时间为基准，建立无人机的时间一致性约束模型。
[0017]无人机的飞行航迹表示为：
[0018]P＝{p1(x1,y1,t1),p2(x2,y2,t2),...,p
m
(x
m
,y
m
,t
m
),...,p
n
(x
n
,y
n
,t
n
)}
ꢀꢀ
(2)
[0019]其中，P表示无人机的航迹点序列，n表示无人机的航迹所包含航迹点总数量；p1(x1,y1,t1)表示航迹中的第1个航迹点；p2(x2,y2,t2)表示航迹中的第2个航迹点；p
m
(x
m
,y
m
,t
m
)表示航迹P中的第m个航迹点；p
n
(x
n
,y
n
,t
n
)表示航迹P中的第n个航迹点；x1,y1表示第1个航迹点的x、y方向坐标；t1表示无人机第1个航点距离目标点的近似剩余飞行时间，x2,y2表示第2个航迹点的x、y方向坐标；t2表示无人机第2个航点距离目标点的近似剩余飞行时间；x
m
,y
m
表示第m个航迹点的x、y方向坐标；t
m
表示无人机第m个航点距离目标点的近似剩余飞行时间；x
n
,y
n
表示第n个航迹点的x、y方向坐标；t
n
表示无人机第n个航点距离目标点的近似剩余飞行时间。
[0020]无人机的速度为V，则无人机各个航迹点的近似剩余飞行时间为：
[0021][0022]其中，x
m+1
,y
m+1
表示第m+1个航迹点的x、y方向坐标；t
m+1
表示无人机第m+1个航点距离目标点的近似剩余飞行时间。
[0023]无人机的时间一致性约束表示为：
[0024][0025]其中，表示指定无人机近似剩余飞行时间的平均值，ε
t
表示无人机飞行时间偏差限。
[0026]步骤2.3：以多无人机协同航迹总航程最短为优化目标，结合无人机机动能力约束建立航迹规划模型。所述无人机机动能力约束包括最小航迹段长度约束、最大转弯角约束、终端航本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：获得无人机飞行性能参数信息、航迹约束信息和任务环境信息；所述的无人机飞行性能参数信息包括无人机飞行速度、最大转弯角和最小航迹段长度；所述的航迹约束信息包括无人机的飞行起点位置、起点飞行方向、目标点位置和目标点飞行方向；所述的任务环境信息包括飞行区域信息；步骤二：建立无人机运动学、时间一致性约束和航迹规划模型；步骤三：不考虑无人机间的协同约束，以最小化单架无人机航程为目标，基于Dubins路径算法对每一架无人机分别进行二维航迹规划，所述二维航迹规划均包含四种Dubins路径方案；以航程调整能力最大和单架无人机航程最短为择优目标，定制评价准则函数，通过所述评价准则函数选择最优Dubins路径方案快速得到满足终端航向角约束的无人机初始航迹，并根据无人机初始航迹中起始角度调整量和末角度调整量以及直线段起点、终点计算最优Dubins路径方案对应的初始航迹长度；所述Dubins路径方案包括(RSL、LSR、RSR、LSL)四种模式；步骤四：在步骤三无人机初始航迹的基础上，通过考虑无人机运动学约束信息和航程信息，采取分段补偿策略对Dubins路径中的直线段进行航程调整，将无人机航迹规划过程中时间一致性约束转化为定航程问题，使得多无人机航程一致，并在航程调整后依然使得各架无人机保持直线段飞行方向，得到直线补偿段航迹表，依次拼接起始角度调整量对应的航迹表T
initial
、直线补偿段航迹表T
mid
、末角度调整量对应的航迹表T
final
生成总航迹T，引导多无人机同时抵达目标位置，即实现多架无人机的时空一致性。2.如权利要求1所述的一种基于Dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法，其特征在于：步骤二实现方法为，步骤2.1：建立无人机运动学模型；无人机的飞行速度为定值，则无人机的二维运动学模型为其中，(x,y)表示无人机的二维位置坐标；V表示无人机的飞行速度；u是无人机的航向角；步骤2.2：建立时间一致性约束模型；时间一致性约束要求无人机从起点抵达目标点的飞行时间的偏差在无人机飞行时间偏差限ε
t
以内；由于航迹点不包括准确的时间信息，为了满足无人机时间一致性约束，根据无人机飞行航程计算得到每个航迹点对应的近似剩余飞行时间；以近似剩余飞行时间为基准，建立无人机的时间一致性约束模型；无人机的飞行航迹表示为：P＝{p1(x1,y1,t1),p2(x2,y2,t2),...,p
m
(x
m
,y
m
,t
m
),...,p
n
(x
n
,y
n
,t
n
)}
ꢀꢀꢀ
(2)其中，P表示无人机的航迹点序列，n表示无人机的航迹所包含航迹点总数量；p1(x1,y1,t1)表示航迹中的第1个航迹点；p2(x2,y2,t2)表示航迹中的第2个航迹点；p
m
(x
m
,y
m
,t
m
)表示航迹P中的第m个航迹点；p
n
(x
n
,y
n
,t
n
)表示航迹P中的第n个航迹点；x1,y1表示第1个航迹点的x、y方向坐标；t1表示无人机第1个航点距离目标点的近似剩余飞行时间，x2,y2表示
第2个航迹点的x、y方向坐标；t2表示无人机第2个航点距离目标点的近似剩余飞行时间；x
m
,y
m
表示第m个航迹点的x、y方向坐标；t
m
表示无人机第m个航点距离目标点的近似剩余飞行时间；x
n
,y
n
表示第n个航迹点的x、y方向坐标；t
n
表示无人机第n个航点距离目标点的近似剩余飞行时间；无人机的速度为V，则无人机各个航迹点的近似剩余飞行时间为：其中，x
m+1
,y
m+1
表示第m+1个航迹点的x、y方向坐标；t
m+1
表示无人机第m+1个航点距离目标点的近似剩余飞行时间；无人机的时间一致性约束表示为：其中，表示指定无人机近似剩余飞行时间的平均值，ε
t
表示无人机飞行时间偏差限；步骤2.3：以多无人机协同航迹总航程最短为优化目标，结合无人机机动能力约束建立航迹规划模型；所述无人机机动能力约束包括最小航迹段长度约束、最大转弯角约束、终端航向角约束；对于不同的应用场景，无人机航迹规划的优化目标各不相同；以多无人机协同航迹总航程最短作为优化目标，如下式所示min(max{L1,L2,...,L
N
})
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，N为无人机的数量；无人机航迹规划约束不仅包括时间一致性约束，还需考虑终端航向角约束、飞行场地约束和无人机机动能力约束；所述机动能力约束包括：最小航迹段长度和最大转弯角；最小航迹段长度约束：飞行器的机动性能决定无人机在变换下一个飞行姿态前，必须飞行的一段最短的直线距离，所述最短的直线距离被称为最小航迹段长度；最小航迹段长度约束的表达式为：l
m
≥l
min
,m＝1,2,...,n
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)其中，l
m
为无人机第m段航迹的长度，其表达式如下所示最大转弯角约束：受无人机机动性能的约束，规划的航迹需要避免过大的转弯角，以保证航迹可行；设无人机的最大转弯角为θ
max
，最大转弯角约束的表达式为：θ
m
≤θ
max
,m＝1,2,...,n
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)其中，θ
m
为无人机在第m个航迹点处的转弯角；终端航向角约束：无人机飞行过程中，需按照终端航向角抵达航迹规划目标点，终端航向角约束的表达式为β＝β
final
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)其中，β
final
表示无人机的终端航向角。3.如权利要求2所述的一种基于Dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法，其特征在于：步骤三实现方法为，
步骤3.1：根据无人机的飞行起点位置、起点飞行方向、目标点位置和目标点飞行方向，基于Dubins路径算法对每一架无人机分别进行二维航迹规划，所述二维航迹规划均包含四种Dubins路径方案；以航程调整能力最大和单架无人机航程最短为择优目标，建立如公式(10)所述评价准则函数：其中，α
initial
和α
final
分别为起始角度调整量和末角度调整量，R
min
为无人机最小转弯半径，(x
initial
,y
initial
)为起始圆弧与直线段的切点，(x
final
,y
final
)...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙腾，周桢林，孙景亮，徐广通，曹严，李俊志，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：