多约束条件下智能无人飞行器航迹快速规划方法技术

本发明专利技术的多约束条件下智能无人飞行器航迹快速规划方法属于智能飞行器控制领域。首先根据地形，在航迹规划前找出飞行区域中的安全位置，确定可进行定位误差校正的校正点坐标及其类型；其次根据目标确定约束条件，即飞行误差增量约束、垂直误差校正约束、水平误差校正约束、按照规划航迹飞行约束以及最小转弯半径约束，并对这些约束的相互作用机理进行分析，然后以完成任务时间尽可能少、能量消耗尽可能低为目标，建立飞行器航迹规划模型；设计基于最速下降的改进Dijkstra算法进行求解，最终确定满足多约束条件的航迹规划路径；本发明专利技术能够快速规划出满足多约束条件的较优航迹，且具有较高的有效性和鲁棒性；且飞行时间少、能源消耗低。

A fast path planning method for intelligent unmanned aerial vehicle under multiple constraints

【技术实现步骤摘要】
多约束条件下智能无人飞行器航迹快速规划方法
本专利技术属于智能无人飞行器控制领域，特别涉及多约束条件下智能无人飞行器航迹快速规划方法。
技术介绍
随着人工智能和无人飞行器技术的不断发展，两者之间的深度融合必对我国通用航空事业发展产生不可低估的影响。其中，复杂环境下航迹快速规划是智能无人飞行器控制要解决的重要问题之一。而且在飞行过程中，这类飞行器需要对定位误差进行校正，从而实现精准定位，以免定位误差积累到一定程度导致任务失败。目前，无人飞行器航迹规划算法主要有启发式算法和智能优化算法。其中，启发式算法主要包括人工势场法和A*算法，但前者存在局部最优点问题，后者随着搜索空间的增大，无法保证实时性；智能优化算法包括很多，如遗传算法、蚁群算法和粒子群算法等，但计算复杂度较高，且在复杂环境下难以规划出满足飞行性能约束的航迹。然而，以上研究都没有考虑无人飞行器能智能地进行定位误差校正，没有形成一套对复杂环境下智能无人飞行器航迹快速规划进行分析研究的系统方法。要在复杂环境下智能无人飞行器实现航迹快速规划，主要存在以下挑战：(1)地形限制：飞行器任务区域地形多种多样，环境复杂多变。(2)载重限制：由于自身体积和结构系统的原因，飞行器的载重能力是有限的。(3)续航限制：有限的载重决定了智能无人飞行器携带的能源有限，而能源的多少又决定了飞行器持续航行的能力。所以，在保证完成任务的前提下，航迹长度要尽可能小。(4)计算能力限制：有限的载重和有限的能源决定了智能无人飞行器的“大脑”的计算能力。同时，环境的复杂性和不确定性地大幅度增加，更是加剧了计算资源的消耗；而且为了保证实时性，这就要求航迹规划算法的计算复杂度不能太大，以免贻误时机。(5)实时精准定位：飞行器在空间飞行过程中需要实时定位，其定位误差包括垂直误差和水平误差。并且在飞行过程中，由于飞行器速度变化快和振动频率大等因素，定位误差较大，其定位系统无法对自身进行精准定位，这就需要飞行器对定位误差进行校正。(6)转弯半径限制：飞行器在转弯时受到结构和控制系统的限制，前进方向无法突然改变，无法完成即时转弯。综上所述，复杂环境下智能无人飞行器航迹快速规划具有很大的研究前景与应用价值。
技术实现思路
针对上述存在的不足，从复杂环境下智能无人飞行器航迹快速规划的需求出发，本专利技术提出了一种多约束条件下智能无人飞行器航迹快速规划方法。其中，飞行器航迹约束具备如下特征：(a)飞行误差增量：飞行器定位误差包括垂直误差和水平误差，其每飞行1m，垂直误差和水平误差将各增加δ个专用单位，以下简称单位。(b)定位误差校正：飞行器到达用于误差校正的安全位置(称之为校正点)时，能够根据该位置的误差校正类型进行误差校正。1)当飞行器在垂直误差校正点进行垂直误差校正时，只有垂直误差不大于α1个单位，水平误差不大于α2个单位时才能进行垂直误差校正，且校正之后垂直误差将变为0，水平误差保持不变；2)当飞行器在水平误差校正点进行水平误差校正时，只有垂直误差不大于β1个单位，水平误差不大于β2个单位时才能进行水平误差校正，且校正之后其水平误差将变为0，垂直误差保持不变。(c)按照规划航迹飞行：若垂直误差、水平误差都能够得到及时校正，且到达校正点的垂直误差和水平误差均小于θ个单位时，则无人飞行器可以按照预定航线飞行，通过若干个校正点进行误差校正后最终到达目的地。其中，在出发地的无人飞行器的垂直和水平误差均为0，到达终点的垂直和水平误差均应小于θ个单位。(d)最小转弯半径：无人飞行器在转弯时受到结构和控制系统的限制，前进方向无法突然改变，无法完成即时转弯，故无人飞行器的最小转弯半径应不小于R0m。本专利技术的技术方案：多约束条件下智能无人飞行器航迹快速规划方法，首先根据地形，在航迹规划前找出飞行区域中的安全位置，确定可进行定位误差(包括垂直误差和水平误差)校正的校正点坐标及其类型；其次根据目标确定约束条件，即飞行误差增量约束、垂直误差校正约束、水平误差校正约束、按照规划航迹飞行约束以及最小转弯半径约束，并对约束条件的相互作用机理进行分析，然后以完成任务时间最小、能量消耗最少为目标，建立无人飞行器航迹快速规划模型；最后求解模型，确定满足多约束条件的航迹规划路径；具体步骤如下：(1)分析飞行区域地形，确定校正点坐标及其类型：令I＝{i|i＝0,1,2,...,n}，表示校正点编号集，其中当i＝0时，表示起点，i＝n时，表示终点；坐标表示校正点i的坐标，其中当i＝0时，(x0,y0,z0)表示起点坐标，i＝n时，(xn,yn,zn)表示终点坐标；则任意两校正点i和j之间的距离dij表示为误差校正类型有2种：垂直误差和水平误差，所以引入0-1函数同时，令vi,v′i分别表示校正点i∈I校正之前和校正之后的垂直误差，hi,h′i分别表示校正点i∈I校正之前和校正之后的水平误差。(2)以完成任务时间最少、能量消耗最少为优化目标，建立满足约束条件(a)～(d)的智能无人飞行器航迹规划模型，其中参数α1,α2,β1,β2,θ,δ,R0由飞行器本身决定；具体如下：为规划出无人飞行器的航迹，引入0-1函数令E＝{e1,e2,…,ej,…}表示无人飞行器航迹的节点集，其中j表示校正点纳入航迹节点集E的顺序，节点ej存放着第j个纳入航迹节点集E的校正点编号，则有其中，ej(i)表示航迹节点集E的第j位置存放着校正点编号i，对任意航迹节点ej-1(i0),ej(i1),ej+1(i2)∈E＝{e1,e2,…,ej,…}，i0,i1，i2∈I,j∈{1,2,…,M}，其中ej-1(i0),ej(i1),ej+1(i2)分别表示航迹E中相邻3个位置即第j-1,j,j+1个位置上分别存放着校正点编号i0,i1,i2；同时，引入虚拟节点e0(0)，它具有起点的所有信息，包括校正点编号、三维坐标和校正点类型；令和表示航迹节点ej(i1)校正之前的垂直误差和水平误差，和表示航迹节点ej(i1)校正之后的垂直误差和水平误差；同理，和表示航迹节点ej+1(i2)校正之前以及校正之后的垂直误差和水平误差，并且满足如下约束条件：(i)飞行器飞行误差增量由于飞行器每飞行1m，垂直误差和水平误差将各增加δ个专用单位；因此，航迹节点ej+1(i2)校正之前的垂直误差和水平误差等于上一航迹节点ej(i1)校正之后的垂直误差和水平误差加上飞行误差增量，即其中，M为航迹节点的个数，表示航迹节点ej(i1)与ej+1(i2)之间的距离。(ii)飞行器按照规划路径飞行另外，只有垂直误差和水平误差均小于θ个单位时，飞行器才能够按照规划航迹飞行；所以，航迹节点ej(i1)校正之前的垂直误差和水平误差均应小于θ，即(iii)飞行器定位误差校正无人飞行器在空间飞行过程中需要根据定位误差进行实时定位，此时存本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多约束条件下智能无人飞行器航迹快速规划方法，其特征在于，首先根据地形，在航迹规划前找出飞行区域中的安全位置，确定可进行定位误差校正的校正点坐标及其类型；其次根据目标确定约束条件，即飞行误差增量约束、垂直误差校正约束、水平误差校正约束、按照规划航迹飞行约束以及最小转弯半径约束，并对约束条件的相互作用机理进行分析，然后以完成任务时间最小、能量消耗最少为目标，建立无人飞行器航迹快速规划模型；最后求解模型，确定满足多约束条件的航迹规划路径；具体步骤如下：/n(1)分析飞行区域地形，确定校正点坐标及其类型：/n令I＝{i|i＝0,1,2,...,n}，表示校正点编号集，其中当i＝0时，表示起点，i＝n时，表示终点；坐标

【技术特征摘要】
1.多约束条件下智能无人飞行器航迹快速规划方法，其特征在于，首先根据地形，在航迹规划前找出飞行区域中的安全位置，确定可进行定位误差校正的校正点坐标及其类型；其次根据目标确定约束条件，即飞行误差增量约束、垂直误差校正约束、水平误差校正约束、按照规划航迹飞行约束以及最小转弯半径约束，并对约束条件的相互作用机理进行分析，然后以完成任务时间最小、能量消耗最少为目标，建立无人飞行器航迹快速规划模型；最后求解模型，确定满足多约束条件的航迹规划路径；具体步骤如下：
(1)分析飞行区域地形，确定校正点坐标及其类型：
令I＝{i|i＝0,1,2,...,n}，表示校正点编号集，其中当i＝0时，表示起点，i＝n时，表示终点；坐标表示校正点i的坐标，其中当i＝0时，(x0,y0,z0)表示起点坐标，i＝n时，(xn,yn,zn)表示终点坐标；则任意两校正点i和j之间的距离dij表示为



误差校正类型有2种：垂直误差和水平误差，所以引入0-1函数



同时，令vi,vi′分别表示校正点i∈I校正之前和校正之后的垂直误差，hi,hi′分别表示校正点i∈I校正之前和校正之后的水平误差；
(2)以完成任务时间最少、能量消耗最少为优化目标，建立满足约束条件(a)～(d)的智能无人飞行器航迹规划模型，其中参数α1,α2,β1,β2,θ,δ,R0由飞行器本身决定；具体如下：
为规划出无人飞行器的航迹，引入0-1函数



令E＝{e1,e2,…,ej,…}表示无人飞行器航迹的节点集，其中j表示校正点纳入航迹节点集E的顺序，节点ej存放着第j个纳入航迹节点集E的校正点编号，则有



其中，ej(i)表示航迹节点集E的第j位置存放着校正点编号i，
对任意航迹节点ej-1(i0),ej(i1),ej+1(i2)∈E＝{e1,e2,…,ej,…}，i0,i1，i2∈I,j∈{1,2,…,M}，其中ej-1(i0),ej(i1),ej+1(i2)分别表示航迹E中相邻3个位置即第j-1,j,j+1个位置上分别存放着校正点编号i0,i1,i2；同时，引入虚拟节点e0(0)，e0(0)具有起点的所有信息，包括校正点编号、三维坐标和校正点类型；令和表示航迹节点ej(i1)校正之前的垂直误差和水平误差，和表示航迹节点ej(i1)校正之后的垂直误差和水平误差；同理，和表示航迹节点ej+1(i2)校正之前以及校正之后的垂直误差和水平误差，并且满足如下约束条件：
(i)飞行器飞行误差增量
由于飞行器每飞行1m，垂直误差和水平误差将各增加δ个专用单位；因此，航迹节点ej+1(i2)校正之前的垂直误差和水平误差等于上一航迹节点ej(i1)校正之后的垂直误差和水平误差加上飞行误差增量，即









其中，M为航迹节点的个数，表示航迹节点ej(i1)与ej+1(i2)之间的距离；
(ii)飞行器按照规划路径飞行
另外，只有垂直误差和水平误差均小于θ个单位时，飞行器才能够按照规划航迹飞行；所以，航迹节点ej(i1)校正之前的垂直误差和水平误差均应小于θ，即



(iii)飞行器定位误差校正
无人飞行器在空间飞行过程中需要根据定位误差进行实时定位，此时存在2种情形：
情形1：飞行器垂直误差校正
当飞行器在水平误差校正点进行垂直误差校正时，只有垂直误差不大于α1个单位，水平误差不大于α2个单位时才能进行垂直误差校正，所以令



其中，当rvi＝1时表示校正点i可进行垂直误差校正，当rvi＝0时，表示校正点i不可进行垂直误差校正；令
svi＝ti·rvi
其中，svi表示为校正点i∈I垂直误差是否校正成功，当校正点i为垂直校正点，即校正类型ti＝1时，此时svi＝1，校正点i垂直误差校正成功；当校正点i为水平校正点，即校正类型ti＝0时，此时svi＝0，校正点i垂直误差校正失败；
由于飞行器在垂直误差校正点进行垂直误差校正后，其垂直误差变为0，水平误差保持不变，因此，航迹节点ej(i1)校正之后的垂直误差和水平误差表示为






其中，为校正点i1的校正类型，表示为校正点...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘建元，李明楚，郭成，李庆，曲坤，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21