一种定位误差约束下的飞行器航迹快速规划方法技术

本发明专利技术公开了一种定位误差约束下的飞行器航迹快速规划方法，包括以下步骤：(1)进行简化假设，(2)根据校正点与出发点所构成的向量在飞行器直线航迹上的投影值大小，给定每一校正点对应的“序”；(3)通过“禁止后退搜索”方法，控制飞行器飞行过程中经过的校正点的“序”依次增大，确保飞行器不经过多余校正点；(4)分析理想状况下飞行器的最大前进距离；(5)在划定的最大距离范围内，筛选满足水平误差校正和垂直误差校正的校正点；(6)在所有满足条件的校正点中，选取“序”最大的k个点；(7)在所选k个点中，进一步选取使得飞行器航迹长度最短的点；(8)判断最后一个校正点与终点的距离是否可保证飞船沿规划轨迹飞行而不产生偏差。

A fast route planning method for aircraft with location error constraints

【技术实现步骤摘要】
一种定位误差约束下的飞行器航迹快速规划方法
本专利技术属航空规划设计中的智能飞行器控制领域，具体涉及一种定位误差约束下的飞行器航迹快速规划方法。
技术介绍
飞行器航迹规划的实质就是在一定的环境中，在特定的约束条件下，寻找一条从起始点到目的地满足某种性能指标的最优或次优飞行航迹。由于受到飞行到达时间、油耗和地形环境等因素影响，这类飞行器的定位系统无法对自身进行精准定位，一旦定位误差积累到一定程度可能导致任务失败。因此，在飞行过程中对定位误差进行校正是智能飞行器航迹规划中一项重要任务。但是飞行器的误差校正过程中存在诸多约束：可校正的飞行区域分布位置依赖于地形，无统一规律；垂直误差校正点及水平误差校正点均只可校正一类误差，且要求误差不超过规定的可校正范围；飞行器前进方向不能突然改变等。本专利技术研究飞行器在复杂环境中的航迹快速规划问题，在满足各类约束的条件下，求取同时满足航迹长度尽可能小、经过校正区域进行校正的次数尽可能少这两个目标的航迹。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种飞行器航迹快速规划方法，该方法在满足各类约束的条件下，快速求取同时满足航迹长度尽可能小、经过校正区域进行校正的次数尽可能少这两个目标的航迹。该飞行器航迹快速规划方法根据投影值大小对空间中散乱无序的校正点作有序化，并以此为依据减少每一次选取校正点时的候选点数量、尽可能减少航迹所经过的校正点数量、尽可能减少航迹的总长度。为复杂环境中多约束条件下智能飞行器航迹快速规划提供了依据。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一种定位误差约束下的飞行器航迹快速规划方法，该飞行器航迹快速规划方法包括以下步骤：步骤(1)进行适当的简化假设，以为方便问题求解；步骤(2)根据校正点与出发点所构成的向量在飞行器直线航迹上的投影值大小，给定每一校正点对应的“序”；步骤(3)通过“禁止后退搜索”方法，控制飞行器飞行过程中经过的校正点的“序”依次增大，确保飞行器不经过多余校正点；步骤(4)分析理想状况下飞行器的最大前进距离，并以此为依据划定每一步搜索校正点的最大前进距离；步骤(5)在划定的最大距离范围内，筛选满足水平误差校正和垂直误差校正的校正点；步骤(6)在所有满足条件的校正点中，选取“序”最大的k个点；步骤(7)在所选k个点中，进一步选取使得飞行器航迹长度最短的点；步骤(8)判断最后一个校正点与终点的距离是否可保证飞船沿规划轨迹飞行而不产生偏差。进一步的，本专利技术中，步骤(1)中，所作的简化假设如下：忽略飞行器的体积与形状，将其看做空间中的一个质点；当垂直误差和水平误差均小于θ个单位时，飞行器仍能够按照规划路径飞行；不考虑飞行器在航行过程中遇到的避障问题；不考虑飞机到达时间、油耗、空中威胁和地形环境等因素对轨迹规划的影响；假设航迹中校正点数量和航迹长度对航迹规划同样重要，即影响程度相同；假设飞行器可以即时转弯(即飞行器前进方向可以立即改变)。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(简称单位)；在出发地A点，飞行器的垂直和水平误差均为0；飞行器在垂直误差校正点进行垂直误差校正后，其垂直误差将变为0，水平误差保持不变；飞行器在水平误差校正点进行水平误差校正后，其水平误差将变为0，垂直误差保持不变；当飞行器的垂直误差不大于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；当飞行器的垂直误差不大于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。进一步的，本专利技术中，步骤(2)中，确定每一校正点“序”的方法如下：给定飞行器的出发点A和目的地B，以及所有校正点Ji(i＝1,2,3…,N)的在三维空间中的坐标(xi,yi,zi)。以A为起点，B为终点可以确定一个向量同样的，以A为起点，以任一校正点Ji为终点可以确定向量以为基准，求(i＝1,2,3…,N)在上的投影值pi。将投影值pi(i＝1,2,3…,N)按升序排列，此时pi的顺序即决定了Ji的“序”：若pi是最小的，则校正点Ji的“序”取为1，以此类推。为方便叙述，后文用Ji+1指代序比Ji大的校正点。进一步的，本专利技术中，步骤(3)中，“禁止后退搜索”的方法如下：飞行器从A点出发，依次经过一系列水平或垂直校正点，最终达到目的地B。为了确保总航迹最短，飞行器可能从当前校正点Ji飞行至下一校正点Ji+1的前提是下一校正点Ji+1“更靠近”目的地B，即pi+1＞pi，或校正点Ji+1的序大于校正点Ji的序，可以理解为飞行器在向量方向上有所前进。因此，从当前校正点搜索下一校正点时，仅需考虑“序”更大的点，防止搜索回溯，以避免飞行器在向量方向上的迂回，增加不必要的航迹长度。进一步的，本专利技术中，步骤(4)中，每一步搜索校正点的最大前进距离计算方法如下：首先讨论不考虑校正点地理位置的理想状况。理想状况下，即飞行器在任意点都可以进行任意校正(水平或者垂直)，飞行器的定位校正是一个有规律的循环过程，该过程由α1，α2，β1，β2共同决定；而决定飞行器是否能够按照规划路径飞行的θ不小于上述4个阈值，在到达终点之前均无需考虑。因此理想状况下，飞行器在每两个相邻校正点之间可以飞行的最大距离有四种情况：α1-β1，α2，β1，β2-α2，而在每两个最近的同类校正点之间可以飞行的最大距离有两种情况：α1和β2。理想状况下，由于飞行器可以在任意点处做任意校正，故直接可以得到最短航迹长是AB两点间的欧氏距离，最小校正点数量也可以通过循环规律得到。这两个结果可以作为检验最终结果是否正确的依据。计算步骤是：步骤(41)循环数量＝ceil((AB间的欧氏距离-θ/δ)/一次循环的航行距离)；步骤(42)基准校正点数量＝循环数量×2；步骤(43)计算倒数第二个校正点与目的地B之间的距离，判断航行该距离所产生的误差是否小于θ。如果“是”，那么得到最小校正点数量＝基准校正点数量-1；如果“否”，那么得到最小校正点数量＝基准校正点数量。以理想状况为基础，考虑实际状况。实际状况下，由于校正点位置的限制，飞行器不能在任意点处进行校正。也就是说，即使飞行器没有达到不校正就无法继续按规划航迹飞行的极限，但在达到极限处没有相应的校正点，飞行器就必须在达到极限之前的校正点提前校正。所以，在实际状况下，飞行器在每两个相邻校正点之间、每两个最近的同类校正点之间可以飞行的最大距离一定不超过理想状况，可以用理想情况下的最大可飞行距离作为从当前点向前搜索校正点的最大前进步长。需要分为以下三类进行讨论：第一类：当前点为出发点A：由于在A点飞行器的垂直和水平误差均为0，飞行器最大可飞行α2/δm至垂直校正点进行垂直校正，或者飞行β1/δm至水平校正点进行水平校正。因为目前不能确定下一点是何种校正，所以飞行器从A出发最大可飞行的距离为max{α2,β1}/δm。第二类：当前点为垂直校正点：当前点仅能校正垂直定位误差，所以上一个水平校正点之后累积本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定位误差约束下的飞行器航迹快速规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：/n(1)进行适当的简化假设，以方便问题求解；/n(2)根据校正点与出发点所构成的向量在飞行器直线航迹上的投影值大小，给定每一校正点对应的“序”；/n(3)通过“禁止后退搜索”方法，控制飞行器飞行过程中经过的校正点的“序”依次增大，确保飞行器不经过多余校正点；/n(4)分析理想状况下飞行器的最大前进距离，并以此为依据划定每一步搜索校正点的最大前进距离；/n(5)在划定的最大距离范围内，筛选满足水平误差校正和垂直误差校正的校正点；/n(6)在所有满足条件的校正点中，选取“序”最大的k个点；/n(7)在所选k个点中，进一步选取使得飞行器航迹长度最短的点；/n(8)判断最后一个校正点与终点的距离是否可保证飞船沿规划轨迹飞行而不产生偏差。/n

【技术特征摘要】
1.一种定位误差约束下的飞行器航迹快速规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)进行适当的简化假设，以方便问题求解；
(2)根据校正点与出发点所构成的向量在飞行器直线航迹上的投影值大小，给定每一校正点对应的“序”；
(3)通过“禁止后退搜索”方法，控制飞行器飞行过程中经过的校正点的“序”依次增大，确保飞行器不经过多余校正点；
(4)分析理想状况下飞行器的最大前进距离，并以此为依据划定每一步搜索校正点的最大前进距离；
(5)在划定的最大距离范围内，筛选满足水平误差校正和垂直误差校正的校正点；
(6)在所有满足条件的校正点中，选取“序”最大的k个点；
(7)在所选k个点中，进一步选取使得飞行器航迹长度最短的点；
(8)判断最后一个校正点与终点的距离是否可保证飞船沿规划轨迹飞行而不产生偏差。


2.根据权利要求1所述的定位误差约束下的飞行器航迹快速规划方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所作的简化假设如下：
忽略飞行器的体积与形状，将其看做空间中的一个质点；当垂直误差和水平误差均小于θ个单位时，飞行器仍能够按照规划路径飞行；不考虑飞行器在航行过程中遇到的避障问题；不考虑飞机到达时间、油耗、空中威胁和地形环境等因素对轨迹规划的影响；假设航迹中校正点数量和航迹长度对航迹规划同样重要，即影响程度相同；假设飞行器可以即时转弯(即飞行器前进方向可以立即改变)；
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(简称单位)；在出发地A点，飞行器的垂直和水平误差均为0；飞行器在垂直误差校正点进行垂直误差校正后，其垂直误差将变为0，水平误差保持不变；飞行器在水平误差校正点进行水平误差校正后，其水平误差将变为0，垂直误差保持不变；当飞行器的垂直误差不大于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；当飞行器的垂直误差不大于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。


3.根据权利要求1所述的定位误差约束下的飞行器航迹快速规划方法，其特征在于，所述步骤(2)中，确定每一校正点“序”的方法如下：
给定飞行器的出发点A和目的地B，以及所有校正点Ji(i＝1,2,3…,N)的在三维空间中的坐标(xi,yi,zi)，以A为起点，B为终点可以确定一个向量同样的，以A为起点，以任一校正点Ji为终点可以确定向量以为基准，求在上的投影值pi；
将投影值pi(i＝1,2,3…,N)按升序排列，此时pi的顺序即决定了Ji的“序”：若pi是最小的，则校正点Ji的“序”取为1，以此类推；为方便叙述，后文用Ji+1指代序比Ji大的校正点。


4.根据权利要求1所述的定位误差约束下的飞行器航迹快速规划方法，其特征在于，所述步骤(3)中，“禁止后退搜索”的方法如下：
飞行器从A点出发，依次经过一系列水平或垂直校正点，最终达到目的地B，为了确保总航迹最短，飞行器可能从当前校正点Ji飞行至下一校正点Ji+1的前提是下一校正点Ji+1“更靠近”目的地B，即pi+1＞pi，或校正点Ji+1的序大于校正点Ji的序，可以理解为飞行器在向量方向上有所前进；
因此，从当前校正点搜索下一校正点时，仅需考虑“序”更大的点，防止搜索回溯，以避免飞行器在向量方向上的迂回，增加不必要的航迹长度。


5.根据权利要求1所述的定位误差约束下的飞行器航迹快速规划方法，其特征在于，所述步骤(4)中，每一步搜索校正点的最大前进距离计算方法如下：
首先讨论不考虑校正点地理位置的理想状况；
理想状况下，即飞行器在任意点都可以进行任意校正(水平或者垂直)，飞行器的定位校正是一个有规律的循环过程，该过程由α1，α2，β1，β2共同决定；而决定飞行器是否能够按照规划路径飞行的θ不小于上述4个阈值，在到达终点之前均无需考虑，因此理想状况下，飞行器在每两个相邻校正点之间可以飞行的最大距离有四种情况：α1-β1，α2，β1，β2-α2，而在每两个最近的同类校正点之间可以飞行的最大距离有两种情况：α1和β2；
理想状况下，由于飞行器在任意点处做任意校正，故直接可以得到最短航迹长是AB两点间的欧氏距离，最小校正点数量也可以通过循环规律得到，这两个结果可以作为检验最终结...

【专利技术属性】
技术研发人员：程琳，吴子馨，栾鑫，花璐璐，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32