一种无人机应急通信路径规划方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种无人机应急通信路径规划方法及系统，其方法包括以下步骤：步骤1.对无人机飞行的空间进行三维网格划分，得网格节点,构建网格图，标注无人机的起始点和目标点，以及标注雷达分布和地形信息；步骤2.根据无人机飞行空间内的雷达分布和地形信息构建飞行威胁模型，同时构建飞行限定模型；步骤3.根据飞行威胁模型和飞行限定模型构建飞行路线；步骤4.通过混沌遗传算法对飞行路线进行优化，确定最终飞行路线。相对现有技术，本发明专利技术能安全避开低空障碍物和雷达的干扰，到达指定终点飞行时间最短和路径最优，具有较好的实时性和快速性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无人机
，特别涉及一种无人机应急通信路径规划方法及系统。
技术介绍
无人机在应急通信、国土安防、空中协警、紧急救援和农业种植领域得到了越来越广泛的应用，无人机更因其独特的垂直起降、空中悬停性能而倍受青睐.在复杂、受限的空间中，无人机可以利用其悬停、横飞、倒飞等飞行方式穿梭于障碍物之间，完成通信基站搭建、地形测量、场景拍摄、抢险救灾等任务。与二维平面上的车辆和移动机器人不同的是，任何碰撞对于无人直升机都是致命的，直接导致预定任务失败，自主快速避险、寻找最优航迹能力是其完成任务的关键所在。因此在确保安全飞行的前提下快速实时的规划出最优路径已经成为无人机行业目前亟待解决的问题。目前，常用的无人机航路规划算法有线性、非线性规划方法、A*算法、蚁群算法等。线性、非线性无人机路径规划方法，可以综合全方面考虑无人机飞行过程中与路径相关的安全性、可执行性等，缺点是这些方法要求解一系列的约束优化问题，计算量大、计算时间长、收敛速度慢且易受局部最小值影响陷入局部最优解，适用于局部航迹规划。A*算法由于其速度快的特点，得到了广泛的应用，其性能依赖启发函数的选取，而实际中得到最优的启发函数是有一定难度的的，因此A*算法一般只能搜索到一个相对较优的路径，当无人机飞行航迹发生改变时不能利用在首次搜索中得到的信息，只能重新进行搜索，这就需要比较长的时间重新规划路径。蚁群算法是蚂蚁在觅食时随机选择一个方向搜索，当一只蚂蚁发现食物源后，以某种方式告诉同伴一起搬运食物，当多只蚂蚁合作搬运之后所走的路径就变成了最短的路径。蚁群算法是一种全局规划方法，可同时考虑多个目标，但当环境出现突发变化或需实时规划时，蚁群算法不能保证在有限时间内很快的搜索到路径。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种无人机应急通信路径规划方法及系统，能安全避开低空障碍物和雷达的干扰，到达指定终点飞行时间最短和路径最优，同时在原有遗传算法基础上，利用混沌序列来控制遗传操作中的交叉和变异,避免了完全随机操作的盲目性，具有较好的实时性和快速性，得到的飞行路线更逼近实际的无人机最优航迹。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种无人机应急通信路径规划方法，包括以下步骤：步骤1.对无人机飞行的空间进行三维网格划分，得网格节点,构建网格图，在所述网格图上标注无人机的起始点和目标点，以及标注无人机飞行空间内的雷达分布和地形信息；步骤2.根据无人机飞行空间内的雷达分布和地形信息构建飞行威胁模型，同时根据无人机的飞行技术参数构建飞行限定模型；步骤3.根据飞行威胁模型和飞行限定模型在无人机的起始点和目标点之间构建飞行路线；步骤4.通过混沌遗传算法对飞行路线进行优化，确定最终飞行路线。本专利技术的有益效果是：能安全避开低空障碍物和雷达的干扰，到达指定终点飞行时间最短和路径最优，同时在原有遗传算法基础上，利用混沌序列来控制遗传操作中的交叉和变异,取代原有完全随机的交叉和变异操作,精确确定是否进行交叉或变异操作以及确定交叉或变异操作的具体位置等两个方面,避免了随机操作的盲目性，使求得的解精度高,收敛速度快，同时本技术方案具有较好的实时性和快速性，使无人机在执行应急通信、空中救援等任务时，搜索到的航迹更逼近实际的无人机最优航迹。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步，所述飞行威胁模型具体为：min W＝k1Jthreat+k2Jfuel；其中Jthreat为雷达威胁代价，k1(k1∈(0，1))为雷达威胁代价的权重，Jfuel为燃油代价，k2(k2∈(0，1))为燃油代价的权重。采用上述进一步方案的有益效果是：通过雷达威胁和燃油威胁的限定建模，保证无人机无威胁飞行，选择无人机飞行路径更加精准。进一步，所述飞行限定模型包括：无人机在遇到障碍物时改变姿态直飞的距离r小于无人机的起始点至障碍点之间的距离Smin，r＜Smin。采用上述进一步方案的有益效果是：通过对无人机在改变姿态时直飞的距离限定，能保证无人机按设定路线安全飞行。进一步，所述飞行限定模型包括：无人机在探测到障碍物时悬停的时间Tmin小于无人机飞行的总时长t，Tmin＜t。采用上述进一步方案的有益效果是：通过无人机在探测到障碍物时悬停时间的限定，能保证无人机按设定路线顺畅飞行。进一步，所述飞行限定模型包括：飞行路线的高度H大于无人机飞行设定的最低飞行高度Hmin，且小于无人机飞行设定的最高飞行高度Hmax，Hmin＜H＜Hmax。采用上述进一步方案的有益效果是：通过飞行路线的高度H的限定，能保证无人机按飞行路线顺畅飞行。进一步，所述飞行限定模型包括：飞行路线的距离L小于无人机飞行极限距离的二分之一，L＜Lmax/2。优选的，所述飞行限定模型包括：无人机沿着x坐标轴的正方向飞行,当前所在节点的坐标为(x1,y1,z1),下一节点的坐标为(x2,y2,z2)，无人机在水平方向和垂直方向偏转的最大角度Ф满足： | arctan ( y 2 - y 1 x 2 - x 1 ) | ≤ φ m a x | arctan ( 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人机应急通信路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.对无人机飞行的空间进行三维网格划分，得网格节点,构建网格图，在所述网格图上标注无人机的起始点和目标点，以及标注无人机飞行空间内的雷达分布和地形信息；步骤2.根据无人机飞行空间内的雷达分布和地形信息构建飞行威胁模型，同时根据无人机的飞行技术参数构建飞行限定模型；步骤3.根据飞行威胁模型和飞行限定模型在无人机的起始点和目标点之间构建飞行路线；步骤4.通过混沌遗传算法对飞行路线进行优化，确定最终飞行路线。

【技术特征摘要】
1.一种无人机应急通信路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.对无人机飞行的空间进行三维网格划分，得网格节点,构建网格图，在所述网格图上标注无人机的起始点和目标点，以及标注无人机飞行空间内的雷达分布和地形信息；步骤2.根据无人机飞行空间内的雷达分布和地形信息构建飞行威胁模型，同时根据无人机的飞行技术参数构建飞行限定模型；步骤3.根据飞行威胁模型和飞行限定模型在无人机的起始点和目标点之间构建飞行路线；步骤4.通过混沌遗传算法对飞行路线进行优化，确定最终飞行路线。2.根据权利要求1所述一种无人机应急通信路径规划方法，其特征在于，所述飞行威胁模型具体为：min W＝k1Jthreat+k2Jfuel；其中Jthreat为雷达威胁代价，k1(k1∈(0，1))为雷达威胁代价的权重，Jfuel为燃油代价，k2(k2∈(0，1))为燃油代价的权重。3.根据权利要求1所述一种无人机应急通信路径规划方法，其特征在于，所述飞行限定模型包括：无人机在遇到障碍物时改变姿态直飞的距离r小于无人机的起始点至障碍点之间的距离Smin，r＜Smin。4.根据权利要求1所述一种无人机应急通信路径规划方法，其特征在于，所述飞行限定模型包括：无人机在检测到障碍物时悬停的时间t大于无人机控制响应的最短时长Tmin，Tmin＜t。5.根据权利要求1所述一种无人机应急通信路径规划方法，其特征在于，所述飞行限定模型包括：飞行路线的高度H大于无人机飞行设定的最低飞行高度Hmin，且小于无人机飞行设定的最高飞行高度Hmax，Hmin＜H＜Hmax。6.根据权利要求1所述一种无人机应急通信路径规划方法，其特征在于，所述飞行限定模型包括：飞行路线的距离L小于无人机飞行极限距离的二分之一，L＜Lmax/2。7.根据权利要求1所述一种无人机应急通信路径规划方法，其特征在于，所述飞行限定模型包括：无人机沿着x坐标轴的正方向飞行,当前所在节点的坐标为(x1,y1,z1),下一节点的坐标为(x2,y2,z2)，无人机在水平方向和垂直方向偏转的最大角度Ф满足： | arctan ( y 2 - y 1 x 2 - x 1 ) | ≤ φ m a x | arctan ( z 2 - z 1 x 2 - x ...

【专利技术属性】
技术研发人员：李天松，黄艳虎，卢亚军，周海燕，邱云翔，李思民，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45