无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法和路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法和路径规划方法。其中单参数确定方法，该方法包括以下步骤：确定无人飞行器的约束条件；定义双圆弧路径的形状；确定基于单参数的双圆弧路径半径表达式，该方法能在满足初始和末端攻击角度的约束的条件下，有效降低双圆弧路径的参数数量。基于上述的双圆弧路径单参数确定方法，本发明专利技术还提出了一种路径规划方法，该方法在前述方法3个步骤的基础上，进而增加以下步骤：确定单参数的具体取值，完成路径规划；其仅使用单参数确定双圆弧路径，而且可使多个UAV能够同时到达目标地点执行攻击任务。

Single parameter determination method and path planning method for UAV double arc path

【技术实现步骤摘要】
无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法和路径规划方法
本专利技术属于无人飞行器的路径规划领域，主要是涉及满足角度约束的无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法，以及基于前述方法进而满足时间约束的路径规划方法，尤其是涉及一种无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法和路径规划方法。
技术介绍
无人飞行器作为一种能够自主控制或者遥控控制的飞行器，以其高续航性和机动性受到了越来越多的关注，其飞行过程中的路径规划也成为了研究的热点。攻击地面固定目标是无人飞行器(UAV)的主要任务之一，为提高打击毁伤能力，需要进行路径规划，使得多个UAV能够同时到达目标地点执行攻击任务，且满足初始和末端攻击角度的约束。目前，为了解决上述问题，部分文献提出了一些相关的无人飞行器路径规划方法。诸如文献“ZHANGYA,MAPB.Three-dimensionalguidancelawwithimpactangleandimpacttimeconstraints[J].IEEETrans.onControlSystemTechnology,2006,14(3):483-492.”同时考虑了攻击时间和攻击角度的约束，在此基础上，对剩余飞行时间进行了预测和和补偿以实现时间约束，该方法针对性较强，但是结构复杂，不易实现。文献“ZHANGYG,ZHANGYA,etal.Researchoncooperativeguidanceformulti-missilesbasedonbi-arcs[J].JournalofNavalAeronauticalUniversity,2009,24(5):537-542.”提出了双圆弧+机动飞行的多导弹攻击时间与攻击角度协同制导律，应用双圆弧轨迹将导弹导引至预定攻击角度上，之后利用机动实现时间控制，但其双圆弧轨迹规划所需自由度较多，参数符号与变量之间变化关系复杂，增加了问题复杂性。综上所述，现有方法虽可以解决上述问题，但是都不同程度地存在结构复杂，规划参数的自由度较多，问题复杂性较高，不易实现等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法，其能在满足初始和末端攻击角度的约束的条件下，有效降低双圆弧路径的参数数量；基于上述的双圆弧路径单参数确定方法，本专利技术还提供了一种路径规划方法，其仅使用单参数确定双圆弧路径，而且可使多个UAV能够同时到达目标地点执行攻击任务。本专利技术提出的无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法，包括以下步骤：步骤S1，确定无人飞行器初始位置vs和初始速度方向，以及末端位置vf和末端速度方向；步骤S2，用两个恒定曲率的弧段连接初始位置vs和末端位置vf，并作为无人飞行器的双圆弧路径，路径包括初始弧段和末端弧段两弧段相切于vi；步骤S3，当初始速度方向和末端速度方向都朝向点Pt时，点Pt为初始速度方向和末端速度方向的切线交点；初始弧段半径其中，d为vs和vf之间的欧式距离ψ为∠vsPtvf的大小，γs为∠Ptvsvf的大小，且γs+γf+ψ＝π，单参数φs为初始速度方向和位置矢量之间的夹角；末端弧段半径其中，γf为∠vsvfPt的大小。优选的，当初始速度方向和末端速度方向都朝向点Pt时，φs的取值范围为：其中，rm为无人飞行器最小转弯半径。除了初始速度方向和末端速度方向都朝向点Pt的情况之外，还存在以下三种情况，即(1)初始速度方向和末端速度方向都背向点Pt；(2)初始速度方向朝向点Pt，而末端速度方向背向点Pt；(3)初始速度方向背向点Pt，而末端速度方向朝向点Pt。具体的情况为：(1)当初始速度方向和末端速度方向都背向点Pt时，初始弧段半径末端弧段半径优选的，当初始速度方向和末端速度方向都背向点Pt时，φs的取值范围为：(2)当初始速度方向朝向点Pt时，而末端速度方向背向点Pt时，初始弧段半径末端弧段半径优选的，当初始速度方向朝向点Pt时，而末端速度方向背向点Pt时，φs的取值范围为：当αs3≤0时，当αs3＞0时，其中，αs3＝π/2-ψ/2-γf，(3)当初始速度方向背向点Pt时，而末端速度方向朝向点Pt时，初始弧段半径末端弧段半径优选的，当初始速度方向背向点Pt时，而末端速度方向朝向点Pt时，φs的取值范围为：当αs4≤0时，当αs4＞0时，其中，基于前述无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法，本专利技术还提出了一种无人飞行器双圆弧路径规划的方法，在前述方法的基础上，本专利技术还包括以下步骤：步骤S4，根据φs的取值范围，计算双圆弧路径长度的取值范围[lmin,lmax]，在[lmin,lmax]内选取双圆弧路径长度luav，进而确定单参数φs的具体取值，完成路径规划。优选的，当要求n个无人飞行器的路径长度一致时，在前述方法的基础上，还包括如下步骤：步骤S4，根据第i个无人飞行器的φs取值范围，计算第i个双圆弧路径长度的取值范围，其中2≤i≤n，并确定n个无人飞行器共同的双圆弧路径长度取值范围，在共同的双圆弧路径长度取值范围内选取双圆弧路径长度luav，进而确定第i个无人飞行器φs的具体取值，完成路径规划。优选的，确定共同的双圆弧路径长度取值范围的具体方法为：将n个无人飞行器双圆弧路径长度的取值范围分别绘制在同一个一维坐标轴上，然后确定共同的双圆弧路径长度取值范围。本专利技术的无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法，仅用单参数(即一个自由度)就可完成对无人飞行器双圆弧路径的参数控制，不仅可以满足初始、末端角度约束条件；而且大大减少了参数的数量；参数数量的减小，进而大大减少了数据传输量，避免了多参数实时数据传输带来的误差和延时等问题；降低了相关路径确定方法的复杂程度。在无人飞行器双圆弧路径单参数确定方法的基础上，本专利技术进而提出的无人飞行器双圆弧路径规划方法，将唯一自由度φs作为输入参数进行路径规划，不仅可以满足角度、路径长度/时间等约束条件，而且能够快速选取适合的路径轨迹。附图说明图1为多无人飞行器协同工作示意图；图2为无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法和路径规划方法流程图；图3为双圆弧路径示意图；图4为UAV初始速度方向和末端速度方向示意图；图5为情况1下双圆弧路径示意图；图6为情况3下双圆弧路径示意图；图7为单无人飞行器双圆弧路径长度的坐标表示图；图8为双无人飞行器双圆弧路径长度的坐标表示图；图9为情况1下双圆弧路径仿真图；图10为情况2下双圆弧路径仿真图；图11为情况3下双圆弧路径仿真图；图12为情况4下双圆弧路径仿真图；图13为情况1下双圆弧路径随φs值变化仿真图；图14为情况1下路径长度随φs值变化仿真图；图15为UAV路径长度随φs值变化仿真图；图16为多UAV的规划路径示意图。具体实施方式本专利技术针对的问题是：考虑n个UAV同时对一个固定目标实施跟踪或攻击任务，具体如图1所示，其中每个UAV的与目标初始距离以及飞行速度方向都不相同，但要求他们同时到达目标处，且满足到达时刻速度方向要求。由于各UAV位置不可控，因此需要对UAV实施路径规划。图1中vs的指向为初始速度方向，vf的指向为末端速度方向。如图2所示，本专利技术提出的无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法，主要包括3个步骤：确定无人飞行器的约束条件；定义双圆弧路径的形状；确定基于单参数的双圆弧路径半径表达式。基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，确定无人飞行器初始位置vs和初始速度方向，以及末端位置vf和末端速度方向；步骤S2，用两个恒定曲率的弧段连接初始位置vs和末端位置vf，并作为无人飞行器的双圆弧路径，路径包括初始弧段

【技术特征摘要】
1.无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，确定无人飞行器初始位置vs和初始速度方向，以及末端位置vf和末端速度方向；步骤S2，用两个恒定曲率的弧段连接初始位置vs和末端位置vf，并作为无人飞行器的双圆弧路径，路径包括初始弧段和末端弧段两弧段相切于vi；步骤S3，当初始速度方向和末端速度方向都朝向点Pt时，点Pt为初始速度方向和末端速度方向的切线交点；初始弧段半径其中，d为vs和vf之间的欧式距离ψ为∠vsPtvf的大小，γf为∠vsvfPt的大小，单参数φs为初始速度方向和位置矢量之间的夹角；末端弧段半径其中，γs为∠Ptvsvf的大小。2.如权利要求1所述的无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法，其特征在于，当初始速度方向和末端速度方向都背向点Pt时，初始弧段半径末端弧段半径3.如权利要求1所述的无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法，其特征在于，当初始速度方向朝向点Pt时，而末端速度方向背向点Pt时，初始弧段半径末端弧段半径4.如权利要求1所述的无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法，其特征在于，当初始速度方向背向点Pt时，而末端速度方向朝向点Pt时，初始弧段半径末端弧段半径5.如权利要求1所述的无人飞行器双圆弧路径的单参数确定方法，其特征在于，φs的取值范围...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨秀霞，曹唯一，方国伟，严瑄，韩庆田，张毅，吴修振，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军航空大学，
类型：发明
国别省市：山东,37