申请/专利权人：北京理工大学

申请日：2021-08-10

公开（公告）日：2024-01-02

公开（公告）号：CN113624237B

主分类号：G01C21/20

分类号：G01C21/20

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.01.02#授权;2021.11.26#实质审查的生效;2021.11.09#公开

摘要：本发明公开的一种基于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。

主权项：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εt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＝{p1x1,y1,t1,p2x2,y2,t2,...,pmxm,ym,tm,...,pnxn,yn,tn}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；p1x1,y1,t1表示航迹P中的第1个航迹点；p2x2,y2,t2表示航迹P中的第2个航迹点；pmxm,ym,tm表示航迹P中的第m个航迹点；pnxn,yn,tn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；xm,ym表示第m个航迹点的x、y方向坐标；tm表示无人机第m个航点距离目标点的近似剩余飞行时间；xn,yn表示第n个航迹点的x、y方向坐标；tn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，xm+1,ym+1表示第m+1个航迹点的x、y方向坐标；tm+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，εt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minmax{L1,L2,...,LN}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：lm≥lmin,m＝1,2,...,n-16其中，lm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θmax，最大转弯角约束的表达式为：θm≤θmax,m＝1,2,...,n-18其中，θm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＝βfinal9其中，βfinal表示无人机的终端航向角；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，αinitial和αfinal分别为起始角度调整量和末角度调整量，Rmin为无人机最小转弯半径，xinitial,yinitial为起始圆弧与直线段的切点，xfinal,yfinal为直线段与末圆弧的切点；根据评价准则函数表达式10分别计算Dubins路径算法中四种模式RSL、LSR、RSR、LSL下的评价准则函数值；步骤3.2：选择对应评价准则函数值最大的模式，即为最优Dubins路径方案；结合无人机机动能力约束，利用Dubins路径算法分别计算得到起始角度调整量和末角度调整量对应的航迹表Tinitial和Tfinal、直线段的起点xinitial,yinitial、直线段的终点xfinal,yfinal，即得到最优Dubins路径方案对应的满足终端航向角约束的无人机初始航迹；步骤3.3：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Linitial，初始航迹长度的表达式为： 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，根据无人机航程最大调整能力、无人机需要补偿的航程与无人机机动能力约束将无人机补偿航程的方案分为三类，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，生成直线补偿段航迹表；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Tinitial、直线补偿段航迹表Tmid、末角度调整量对应的航迹表Tfinal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；步骤四实现方法为，步骤4.1：根据步骤3.3所得各架无人机初始航迹长度计算各架无人机需要补偿的航程ΔLneed；ΔLneed＝L*-Linitial12其中，L*为期望航程，当多无人机进行协同航迹规划时，取期望航程L*为： 步骤4.2：根据直线段的起点xinitial,yinitial、直线段的终点xfinal,yfinal，结合无人机机动能力约束，根据无人机最大航程调整能力的表达式10计算无人机最大航程调整能力ΔLmax； 其中，lmin为最小航迹段长度，Rmin为最小转弯半径，Ls为直线段的距离； 步骤4.3：判断无人机航迹直线段对应的最大航程调整能力ΔLmax是否大于无人机需要补偿的航程ΔLneed，如果ΔLmax≥ΔLneed，则初始航迹直线段具备补偿所需航程的能力；如果ΔLmax＜ΔLneed则所需补偿航程超出最大调整能力，只能以最大调整能力进行航程补偿，即ΔLneed＝ΔLmax；步骤4.4：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，生成直线补偿段航迹表Tmid；步骤4.4.1：选择无人机补偿航程的方案，如果ΔLneed＝0，执行步骤4.4.2；如果0＜ΔLneed≤2π-4Rmin，执行步骤4.4.3；如果ΔLneed＞2π-4Rmin，执行步骤4.4.4；步骤4.4.2：无人机初始航迹直线段不进行航程补偿，即直线补偿段航迹表Tmid仅包含直线航迹段，执行步骤4.5；步骤4.4.3：当Dubins路径中的直线段长度4·lmin≤Ls＜4·Rmin，无人机最大航程调整能力ΔLmax＝4·Rmin·arcsinLs4·Rmin-Ls，为了保证直线段航程补偿后，无人机依然保持直线段原始飞行方向，将航程补偿段分解成为四个部分，分别为：圆弧补偿段I、圆弧补偿段II、圆弧补偿段III、直线补偿段I；其中圆弧补偿段I从直线段起点到引导点I，圆弧补偿段II从引导点I到引导点II，圆弧补偿段III从引导点II到引导点III，直线补偿段III从引导点III到直线段终点，通过无人机需要补偿的航程ΔLneed计算对应的直线段距离进而计算得到圆弧I、III对应的圆心角α1和圆弧II对应的圆心角α2，其表达式为： α2＝2α118根据直线段起点坐标，结合圆心角α1、α2依次计算得到引导点I、II、III；直线补偿段的表达式为： 结合无人机机动能力约束补充航迹点，计算得到圆弧补偿段I圆弧补偿段II、圆弧补偿段III、直线补偿段I的航迹，依次拼接生成直线补偿段航迹表Tmid，执行步骤4.5；步骤4.4.4：当Dubins路径中的直线段长度Ls≥4·Rmin，无人机最大航程调整能力ΔLmax＝∞，为了保证直线段航程补偿后，无人机依然保持直线段原始飞行方向，将航程补偿段分解成为六个部分，分别为：圆弧补偿段I、直线补偿段I、圆弧补偿段II、直线补偿段II、圆弧补偿段III、直线补偿段III；其中圆弧补偿段I从直线段起点到引导点I，直线补偿段I从引导点I到引导点II，圆弧补偿段II从引导点II到引导点III，直线补偿段II从引导点III到引导点IV，圆弧补偿段III从引导点IV到引导点V，直线补偿段III从引导点V到直线段终点，通过无人机需要补偿的航程ΔLneed计算直线补偿段I与直线补偿段II的距离，并计算得到圆弧I、III对应的圆心角α1和圆弧II对应的圆心角α2，其表达式为： α2＝2α1＝180°21根据初始航迹直线段起点与直线补偿段I、II的距离结合圆心角α1、α2依次计算得到引导点I、II、III、IV、V；进而结合无人机机动能力约束计算得到圆弧补偿段I、直线补偿段I、圆弧补偿段II、直线补偿段II、圆弧补偿段III、直线补偿段III的航迹，依次拼接生成直线补偿段航迹表Tmid；执行步骤4.5；步骤4.5：依次拼接步骤3.2所得起始角度调整量对应的航迹表Tinitial、步骤4.4所得直线补偿段航迹表Tmid、步骤3.2所得末角度调整量对应的航迹表Tfinal生成总航迹T。

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百度查询： 北京理工大学 一种基于Dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法

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