一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法技术

本发明专利技术公开了一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，包括步骤1：获取无人飞行器执行任务时的飞行高度，相关的机动参数以及无人飞行器在飞行过程中，机体的性能约束参数；步骤2：获取无人飞行器在任务飞行高度下的安全飞行速度走廊；步骤3：将安全飞行速度走廊内进行速度划分，取最大飞行速度，获取该速度下的最小转弯半径与三维栅格单位长度，判断结果是否满足性能要求；步骤4：获取满足性能约束的三维栅格单位长度与任务场景的三维栅格个数。本发明专利技术实现在无人飞行器进行高速飞行前的任务规划阶段，对任务场景进行满足机动性能约束的栅格划分，在航迹规划前确定无人飞行器的最小转弯半径，节省了无人飞行器航迹规划后的光滑处理步骤。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无人飞行器航迹规划
，应用于无人飞行器航迹规划前的场景预处理阶段，具体涉及一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法。
技术介绍
无人飞行器的航迹规划是在满足性能指标等约束条件的前提下，综合考虑任务场景的威胁、天气状况和任务目标，从无人飞行器的出发点，规划出一条代价最小的航迹，以支持无人飞行器完成任务，是任务规划的关键技术环节之一。上个世纪50年代开始，无人飞行器被应用到作为靶机、侦察机等多种用途。随着任务的复杂程度与日俱增，无人飞行器任务规划系统建立的重要性日益凸显，航迹规划是一门伴随着现代信息技术而发展起来的高新技术。无人飞行器航迹规划过程分为离线规划与在线规划。在无人飞行器执行任务之前，根据对任务场景的先验知识，进行离线规划。离线规划过程通常采用分布式计算处理技术，不对算法的时间复杂度做过多的要求。在线规划是指在无人飞行器进行任务的过程中，通过加载离线航迹结果，按照预先规划航迹飞行，再根据无人飞行器搭载的遥感遥测设备进行实时场景勘测，对新发现的威胁等进行实时的航迹规划。20世纪90年代以来，将智能优化算法应用于航迹规划中已经成为一种趋势。智能优化算法具有数学模型简单、启发式搜索与随机搜索相结合、收敛速度较快等优点。同时，基于智能优化算法的航迹规划却难以保证无人飞行器满足自身的机动约束，因此只能通过改变航迹规划的栅格划分方式来改变无人飞行器的转弯半径，并在航迹规划后进一步利用满足最小转弯半径的航迹平滑技术进行处理。且通常的航迹规划栅格划分方法将场景划分成若干个正方形栅格，没有体现出初始速度方向与正交方向上的划分差异。所以，这种简单划分后再进行航迹平滑的方法往往花费了大量计算时间，且规划结果也十分粗糙。因此，现有技术的无人飞行器航迹规划存在对基于智能优化方法的航迹规划无法满足机动约束要求的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，提出一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，在智能优化方法进行航迹规划前的场景建模阶段，划分出满足无人飞行器性能约束的栅格空间。本专利技术可用于无人飞行器航迹规划的准备阶段，栅格空间建立后，再对其进行航迹规划，进而实现了规划出满足无人飞行器性能约束的航迹的技术效果。本专利技术的一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，包括以下几个步骤：步骤1：参数输入：输入无人飞行器执行任务时的飞行高度，无人飞行器本身相关的机动参数以及无人飞行器在飞行过程中，机体可以承受的性能约束参数；步骤2：计算安全飞行速度走廊：无人飞行器任务飞行高度下，计算满足性能约束条件的最大飞行速度与满足平衡飞行条件的最小飞行速度，得到无人飞行器在任务飞行高度下的安全飞行速度走廊。步骤3：计算转弯半径与三维栅格长度：计算将安全飞行速度走廊内进行速度划分，取最大飞行速度，计算该速度下的最小转弯半径与三维栅格单位长度；判断结果是否满足性能要求，若不满足，按照划分步长继续选择飞行速度并计算转弯半径与三维栅格单位长度；步骤4：结果输出：输出满足性能约束的三维栅格单位长度与任务场景的三维栅格个数。本专利技术的优点在于：(1)克服了在基于智能优化方法进行随机搜索的航迹规划的场景建模阶段中，难以满足无人飞行器性能约束条件的问题；(2)航迹规划计算后，无需经过航迹平滑，即可得到满足无人飞行器性能约束条件的光滑航迹，节省计算资源的消耗，简化航迹规划的过程；(3)实现在无人飞行器进行高速飞行前的任务规划阶段，对任务场景进行满足机动性能约束的栅格划分，在航迹规划前确定无人飞行器的最小转弯半径，节省了无人飞行器航迹规划后的光滑处理步骤。附图说明图1为本专利技术中满足性能约束的无人飞行器航迹规划栅格划分方法的流程图；图2为本专利技术中无人飞行器栅格划分几何示意图；图3为本专利技术中无人飞行器航迹搜索邻域节点示意图。具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术是一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，解决了现有基于智能优化方法的无人飞行器航迹规划结果难以满足机动性能约束的问题。在航迹规划开始前的场景建模阶段，划分出满足无人飞行器机动性能约束的搜索栅格空间。本专利技术中的技术方案为解决上述基于智能优化方法的无人飞行器航迹规划中难以满足实际机动性能要求的技术问题，总体思路如下：首先，通过输入无人飞行器的飞行任务高度与机动性能参数，计算得到满足无人飞行器动压约束、过载约束与热流密度约束条件下的最大飞行速度，再根据平衡飞行条件计算得到最小飞行速度，从而得到无人飞行器的任务飞行速度区间；接着，对安全飞行速度走廊内的最大速度，根据无人飞行器下一步选择几何关系，计算得到无人飞行器在该飞行速度下的最小转弯半径以及对应三维栅格划分的长度，并判断所有可选的下一步栅格中是否全部满足机动性能约束要求，若有不满足，则重新选取飞行速度进行解算，直至满足所有机动性能约束条件；最后，输出划分的三维栅格长度与个数。为了更好地理解上述技术方案，结合附图，以及具体的实施方案对上述的技术方案进行详细的说明。本专利技术提供的无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，通过以下步骤来实现的，如图1所示：步骤1：参数输入：输入无人飞行器执行任务时的飞行高度，无人飞行器本身相关的机动参数以及无人飞行器在飞行过程中，机体可以承受的性能约束参数；(a)输入无人飞行器执行任务时的飞行高度H，任务场景的地形高度信息HM，航迹规划的起始点S，航迹规划的目标点E，无人飞行器在相邻栅格间飞行的时间Δt；(b)输入与无人飞行器参数，如无人飞行器质量m，无人飞行器参考气动面积Sref，无
人飞行器头部曲率半径Rd；(c)输入无人飞行器机体飞行过程中机动参数，如最小攻角αmin，最大滚转角φmax，最大过载nmax，最大法向过载nzmax，过载经验公式系数CLα、CD0和CDα，最大气动压强qmax以及最大驻流点热流密度Qmax等预设参数。步骤2：计算安全飞行速度走廊：无人飞行器任务飞行高度下，计算满足性能约束条件的最大飞行速度与满足平衡飞行条件的最小飞行速度，得到无人飞行器在任务飞行高度下的安全飞行速度走廊。(a)按照大气指数模型，计算在无人飞行器预计飞行高度处的大气密度，海平面的大气密度为ρ0＝1.2250kg/m3。则无人飞行器飞行高度H处的大气密度为： ρ = ρ 0 · exp ( - H 7254.25 ) - - - ( 1 ) ]]>(b)无人飞行器不能在气动压力过大的情况下飞行会造成机身疲劳，造成事故。因此，计算最大气动压强约束下的最大飞行速度： V m a x - q = 2 q m a 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，包括以下几个步骤：步骤1：获取无人飞行器执行任务时的飞行高度，无人飞行器本身相关的机动参数以及无人飞行器在飞行过程中，机体的性能约束参数；步骤2：无人飞行器任务飞行高度下，获取满足性能约束条件的最大飞行速度与满足平衡飞行条件的最小飞行速度，得到无人飞行器在任务飞行高度下的安全飞行速度走廊；步骤3：将安全飞行速度走廊内进行速度划分，取最大飞行速度，获取该速度下的最小转弯半径与三维栅格单位长度，判断结果是否满足性能要求，若不满足，按照划分步长继续选择飞行速度并计算转弯半径与三维栅格单位长度；步骤4：获取满足性能约束的三维栅格单位长度与任务场景的三维栅格个数。

【技术特征摘要】
1.一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，包括以下几个步骤：步骤1：获取无人飞行器执行任务时的飞行高度，无人飞行器本身相关的机动参数以及无人飞行器在飞行过程中，机体的性能约束参数；步骤2：无人飞行器任务飞行高度下，获取满足性能约束条件的最大飞行速度与满足平衡飞行条件的最小飞行速度，得到无人飞行器在任务飞行高度下的安全飞行速度走廊；步骤3：将安全飞行速度走廊内进行速度划分，取最大飞行速度，获取该速度下的最小转弯半径与三维栅格单位长度，判断结果是否满足性能要求，若不满足，按照划分步长继续选择飞行速度并计算转弯半径与三维栅格单位长度；步骤4：获取满足性能约束的三维栅格单位长度与任务场景的三维栅格个数。2.根据权利要求1所述的一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，所述的步骤1中具体包括：(a)获取无人飞行器执行任务时的飞行高度H，任务场景的地形高度信息HM，航迹规划的起始点S，航迹规划的目标点E，无人飞行器在相邻栅格间飞行的时间Δt；(b)获取与无人飞行器参数，包括无人飞行器质量m，无人飞行器参考气动面积Sref，无人飞行器头部曲率半径Rd；(c)获取无人飞行器机体飞行过程中机动参数，包括最小攻角αmin，最大滚转角φmax，最大过载nmax，最大法向过载nzmax，过载经验公式系数CLα、CD0和CDα，最大气动压强qmax以及最大驻流点热流密度Qmax。3.根据权利要求1所述的一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，所述的步骤2中具体包括：(a)按照大气指数模型，获取在无人飞行器预计飞行高度处的大气密度，设海平面的大气密度为ρ0＝1.2250kg/m3，则无人飞行器飞行高度H处的大气密度为： ρ = ρ 0 · exp ( - H 7254.25 ) - - - ( 1 ) ]]>(b)获取最大气动压强约束下的最大飞行速度： V m a x - q = 2 q m a x ρ - - - ( 2 ) ]]>(c)根据无人飞行器头部曲率半径Rd，获取最大驻流点热流密度约束下的最大飞行速度： V m a x - Q = g 0 R 0 · Q m a x R d ρ 0 C 1 2 ρ 6.3 - - - ( 3 ) ]]>其中，g0＝9.80665m/s2为海平面处的重力加速度，R0＝6378km为地球平均半径，C1＝111030；(d)当无人飞行器的俯仰角固定位机体可以承受的最大俯仰角αmin，根据气动力系数经验公式，分别获取无人飞行器的升力系数CL与阻力系数CD：CL＝CLα·αmin (4) C D = C D 0 + C D α · α m i n 2 - - - ( 5 ) ]]>其中，CLα、CD0和CDα为经验公式系数；根据无人飞行器参考气动面积Sref，以及无人飞行器在飞行过程中，最大过载nmax，最大法向过载nzmax，获取在过载约束下的最大飞行速度： V m a x - n = 2 mg 0 n m a x ρS r e f C L 2 + C D 2 - - - ( 6 ) ]]> V m a x - n z = 2 mg 0 n z m a x ρS r e f | C L cosα min + C D sinα min | - - - ( ...

【专利技术属性】
技术研发人员：李景文，姚锟，孙兵，谭林，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11