一种网联无人机的飞行轨迹确定方法及系统技术方案

本申请公开了一种网联无人机的飞行轨迹确定方法及系统，方法包括：初始化：输入起点、终点以及起点与终点之间的基站位置，起点和终点不在同一基站的覆盖范围内；根据无人机的连接状态，基于三角不等式迭代算法获得某一飞行路径下基站间切换位置的最优解；根据各个路径下基站间的切换位置的最优解确定无人机的最优飞行轨迹。本申请使网联无人机的飞行轨迹达到最小化，快速找到无人机在多个基站之间的最佳切换位置，在保证无人机安全飞行的前提下使得飞行时间最小化。

【技术实现步骤摘要】
一种网联无人机的飞行轨迹确定方法及系统
本申请涉及无人机领域，具体地，涉及网联无人机的飞行轨迹确定方法及系统。
技术介绍
在科技浪潮的推动下，无人机领域发展迅猛，根据高盛集团的研究和预测，从2016年初到2020年，无人机将有1000亿美元的市场机会。“无人机是未来大势所趋”已成业内共识，并且无人机在国内已逐步扮演多种角色，如无人机送外卖、无人机送快递、无人机参与安全巡检、无人机进行农业监测等。但是随着无人机数量的增多、应用范围的持续扩大，无人机的短板也随之暴露。无人机飞行距离较短、GPS信号易丢失等，以及坠毁、“黑飞”事件屡有发生，迫使监管政策不断升级，甚至有些地区采取“一刀切”的做法—禁飞。新一代蜂窝移动通信网络5G具备的超高带宽、低时延高可靠、广覆盖大连接特性将为网联无人机赋予实时超高清图传、远程低时延控制、永远在线等重要能力，大大扩展无人机的应用场景，无人机联网后的应用将是一个跨越式发展。针对不同基站覆盖下的起点和终点，无人机执行任务时需要经过多个基站才能到达。现有技术提出了一种网联无人机在允许短时间失去连接限制的场景下的飞行轨迹设计方法，该方法主要实现了无人机的飞行轨迹最小化，该设计流程如图1所示，包括如下步骤：步骤110：初始化：预先给定无人机的飞行速度、高度、无人机与基站之间保证服务质量的最大距离。步骤120：无人机轨迹优化：利用线性规划的方法暴力求解无人机的轨迹设计，优化出飞行的最佳轨迹。步骤130：条件判断：此步骤进行条件判断，确认轨迹优化是否达到最佳状态。若是，则执行步骤140；否则，返回步骤120。步骤140：输出：输出优化结果，流程结束。上述技术方案存在如下缺陷：1)该方案采用暴力求解的方式求取无人机的最优轨迹，算法复杂度高。2)该方案未对基站的切换位置进行计算，网联无人机续航能力极为有限，在多个基站网络之间切换时，如何确定合理的基站切换位置将直接决定无人机留空时间的长短。3)该方案缺乏飞行任务的可行性分析，网联无人机可能在飞行的时候因为长时间失去连接而导致坠毁事故，可行性分析的结果直接影响任务的成败。
技术实现思路
本申请的目的在于提供一种网联无人机的飞行轨迹确定方法及系统，使基站间切换位置最优化，飞行轨迹最优化。为达到上述目的，本申请提供了一种网联无人机的飞行轨迹确定方法，包括如下步骤：初始化：输入起点u0、终点uF以及起点u0与终点uF之间的基站位置，所述起点和所述终点不在同一基站的覆盖范围内；根据无人机的连接状态，基于三角不等式迭代算法获得某一飞行路径下基站间切换位置的最优解；根据各个路径下基站间的切换位置的最优解确定无人机的最优飞行轨迹。进一步地，其中，该方法还包括获得基站间切换位置的最优解之前，分析无人机飞行任务的可行性。进一步地，其中，无人机处于实时连接状态时，若某一路径下，起点与终点之间的所有基站均满足下述公式，则通过该路径执行的飞行任务是可行的：||u-gi||≤R||u0-gi||≤R||uF-gj||≤R||gi+1-gi||≤2R其中，i≠j，u为无人机的位置，gi为起点与终点之间的第i个基站，gi+1为起点与终点之间的第i+1个基站，gj为起点与终点之间的第j个基站，R为基站的最大覆盖范围的半径。进一步地，其中，在无人机处于短时间失去连接的状态时，若某一路径下，起点与终点之间的所有基站中至少一组相邻基站满足下述公式：||u-gi||≤R||u0-gi||≤R||uF-gj||≤R||gi+1-gi||≤2R+γ并且，其他的相邻基站满足下述公式，则通过该路径执行的飞行任务是可行的：||u-gi||≤R||u0-gi||≤R||uF-gj||≤R||gi+1-gi||≤2R其中，i≠j，u为无人机的位置，gi为起点与终点之间的第i个基站，gi+1为起点与终点之间的第i+1个基站，gj为起点与终点之间的第j个基站，R为基站的最大覆盖范围的半径。进一步地，其中，获得基站间切换位置的最优解包括：依次连接起点、飞行路径中的各个基站以及终点；对相邻基站之间的切换位置进行更新；判断本次更新与上次更新中飞行轨迹的长度差是否小于阈值；若否，则继续更新，直至飞行轨迹长度差小于阈值；若是，则将最优飞行轨迹对应的切换点作为该路径下基站间切换位置的最优解。进一步地，其中，若无人机处于实时连接的状态，则对相邻基站之间的切换位置进行更新具体包括：将起点u0、起点u0与终点uF之间的N个基站{g1,..,gN}以及终点uF顺次连接；第一次更新：基站gi和gi+1的连线与基站gi覆盖边缘的交点作为第一切换点一共有N-1个第一切换点其中，表示第一次更新中的第i个切换点；随后的更新中，按照第二次更新和第三次更新的方式交替进行；第二次更新：起点u0和切换点的连线与基站g2覆盖边缘的交点作为第二切换点切换点和的连线与基站gi+1覆盖边缘的交点作为第三切换点一共有N-2个第三切换点其中，表示第二次更新中的第i个切换点；第三次更新：切换点和的连线与基站gi覆盖边缘的交点作为第四切换点一共有N-2个第四切换点终点uF和最后一个第三切换点的连线与基站gN-1覆盖边缘的交点作为第五切换点其中，表示第三次更新中的第i个切换点。本申请还提供了一种网联无人机的飞行轨迹确定系统，包括初始化模块、切换位置最优解获得模块以及飞行轨迹确定模块；其中，初始化模块用于输入起点u0、终点uF以及起点u0与终点uF之间的基站位置，所述起点和所述终点不在同一基站的覆盖范围内；切换位置最优解获得模块用于根据无人机的连接状态，基于三角不等式迭代算法获得某一飞行路径下基站间切换位置的最优解；飞行轨迹确定模块用于根据各个路径下基站间的切换位置的最优解确定无人机的最优飞行轨迹。进一步地，其中，该系统还包括可行性分析模块，用于分析飞行任务的可行性。进一步地，其中，切换位置最优解获得模块包括初始轨迹创建模块、更新模块、判断模块以及最优解确定模块；其中，初始轨迹创建模块用于依次连接起点、飞行路径中的各个基站以及终点；更新模块用于对相邻基站之间的切换位置进行更新；判断模块用于判断本次更新与上次更新中飞行轨迹的长度差是否小于阈值；最优解确定模块用于将最优飞行轨迹对应的切换点作为该路径下基站间切换位置的最优解。进一步地，其中，更新模块包括初始化子模块、第一次更新子模块、第二次更新子模块以及第三次更新子模块；其中，若无人机处于实时连接的状态，则：初始化子模块用于将起点u0、起点u0与终点uF之间的N个基站{g1,..,gN}以及终点uF顺次连接；第一次更新子模块用于将基站gi和gi+1的连线与基站gi覆盖边缘的交点作为第一切换点一共有N-1个第一切换点其中，表示第一次更新中的第i个第一切换点；第二次更新子模块用于将起点u0和切换点的连线与基站g2覆盖边缘的交点作为第二切换点将切换点和的连线与基站gi+1覆盖边缘的交点作为第三切换点一共有N-2个第三切换点表示第二次更新中的第i个切换点；第三次更新子模块用于将切换点和的连线与基站gi覆盖边缘的交点作为第四切换点一共有N-2个第四切换点将终点uF和最后一个切换点的连线与基站gN-1覆盖边缘的交点作为第五切换点其中，表示第三次更新中的第i个切换点。本申请具有以下有益效果：1)本申请使网联无人机的飞行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种网联无人机的飞行轨迹确定方法，其特征在于，包括如下步骤：初始化：输入起点u0、终点uF以及起点u0与终点uF之间的基站位置，所述起点和所述终点不在同一基站的覆盖范围内；根据无人机的连接状态，基于三角不等式迭代算法获得某一飞行路径下基站间切换位置的最优解；根据各个路径下基站间的切换位置的最优解确定无人机的最优飞行轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种网联无人机的飞行轨迹确定方法，其特征在于，包括如下步骤：初始化：输入起点u0、终点uF以及起点u0与终点uF之间的基站位置，所述起点和所述终点不在同一基站的覆盖范围内；根据无人机的连接状态，基于三角不等式迭代算法获得某一飞行路径下基站间切换位置的最优解；根据各个路径下基站间的切换位置的最优解确定无人机的最优飞行轨迹。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括获得基站间切换位置的最优解之前，分析无人机飞行任务的可行性。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，无人机处于实时连接状态时，若某一路径下，起点与终点之间的所有基站均满足下述公式，则通过该路径执行的飞行任务是可行的：||u-gi||≤R||u0-gi||≤R||uF-gj||≤R||gi+1-gi||≤2R其中，i≠j，u为无人机的位置，gi为起点与终点之间的第i个基站，gi+1为起点与终点之间的第i+1个基站，gj为起点与终点之间的第j个基站，R为基站的最大覆盖范围的半径。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在无人机处于短时间失去连接的状态时，若某一路径下，起点与终点之间的所有基站中至少一组相邻基站满足下述公式：||u-gi||≤R||u0-gi||≤R||uF-gj||≤R||gi+1-gi||≤2R+γ并且，其他的相邻基站满足下述公式，则通过该路径执行的飞行任务是可行的：||u-gi||≤R||u0-gi||≤R||uF-gj||≤R||gi+1-gi||≤2R其中，i≠j，u为无人机的位置，gi为起点与终点之间的第i个基站，gi+1为起点与终点之间的第i+1个基站，gj为起点与终点之间的第j个基站，R为基站的最大覆盖范围的半径。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获得基站间切换位置的最优解包括：依次连接起点、飞行路径中的各个基站以及终点；对相邻基站之间的切换位置进行更新；判断本次更新与上次更新中飞行轨迹的长度差是否小于阈值；若否，则继续更新，直至飞行轨迹长度差小于阈值；若是，则将最优飞行轨迹对应的切换点作为该路径下基站间切换位置的最优解。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，若无人机处于实时连接的状态，则对相邻基站之间的切换位置进行更新具体包括：将起点u0、起点u0与终点uF之间的N个基站{g1,..,gN}以及终点uF顺次连接；第一次更新：基站gi和gi+1的连线与基站gi覆盖边缘的交点作为第一切换点一共有N-1个第一切换点其中，表示第一次更新中的第i个切换点；随后的更新中，按照第二次更新和第三次更新的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鼎成，但谦，肖霖，张天魁，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：江西,36