一种基于动态切点调整的无人机航迹规划方法技术

本发明专利技术属于无人机航迹规划技术领域，公开了一种基于动态切点调整的无人机航迹规划方法，基于动态切点调整的航迹规划方法，针对现有技术存在的问题，将航迹规划问题形式化为一个与定位误差校正次数、航迹长度和转弯半径相关的多目标优化问题，在保证定位误差得到有效校正的前提下优化航迹长度，并利用动态切点调整的方式来制定无人机的转弯策略。本发明专利技术可有效降低无人机航迹长度与算法复杂度并能符合无人机动力结构，相较于其他无人机航迹规划方法更能适用于实际场景应用，实现多约束条件下的无人机航迹快速规划。

A path planning method of UAV Based on dynamic tangent adjustment

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态切点调整的无人机航迹规划方法
本专利技术属于无人机航迹规划
，尤其涉及一种基于动态切点调整的无人机航迹规划方法。
技术介绍
无人机是一种有动力、可控制、能携带多种任务设备、执行多种任务并能重复使用的无人驾驶航空器。由于具备无人驾驶、尺寸小、成本低以及机动性强等优点，被广泛应用于各大军用和民用领域当中，如无人机通信、农业、火灾监控和检测和物联网等领域。无人机航迹规划技术是无人机应用的重要研究方向。自20世纪中期以来，一些西方国家已相继开始了无人机航迹规划技术的研究，并在20世纪70年代逐步构建了无人机飞行方面的一系列基础理论。而伴随着计算机技术的普遍应用和快速发展，从20世纪80年代中期以及后期开始，相关学者已将无人机航迹规划技术应用于遥控、遥感等领域，并在20世纪90年代，无人机航迹规划技术逐步趋于成熟。但现有的无人机航迹规划技术仍难以满足多样化的应用需求，无人机所用的航迹规划通常需要人工经验操纵处理，同时由于无人机系统结构限制，无人机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，并且无人机在转弯时受到结构和控制系统的限制，无法完成即时转弯。因此，在飞行过程中对定位误差进行校正并设计符合无人机动力结构的飞行轨迹是无人机航迹规划中的一项重要任务。现有技术一提出运用几何数学的手段对无人机航迹进行规划，并在航迹规划过程中对转弯半径、转弯方向予以约束，该技术能快速规划出最短的无人机飞行路径，但该技术假设装载在无人机设备上的定位系统具有精准定位功能，不会产生定位误差。而在实际的无人机飞行过程中，定位误差是会逐渐累积的，一旦超过定位误差阈值则可能会导致无人机偏离预定轨迹，从而影响预期任务目标的实现。现有技术二提出了与三维空间相结合的快速A*搜索算法，通过无源定位的方式对无人机航迹进行规划，该技术可以通过无源定位的方式来降低定位误差所带来的影响，但该技术所规划的航迹没有考虑无人机动力结构的限制。受限于无人机的动力结构，无人机在转弯时需有一定的转弯半径，无法实现即时转弯，因此该技术不能直接应用于实际的无人机航迹规划应用中。现有技术三针对目前无人机在飞行任务中无法以最小路径代价实现航带间转弯飞行的问题，提出一种基于最小转弯半径的无人机转弯航迹规划算法。该技术依据无人机情报处理对于航片旁向重叠率的要求，确定航带间距，同时依据无人机飞行速度及姿态数据，确定无人机的最小转弯半径。该技术所规划的航迹不仅短而且符合无人机的动力结构，但该技术复杂程度较高，需根据不同的航带间距来制定不同的转弯策略，而现有无人机的计算能力有限，所规划的无人机航迹不能过于复杂，因此所规划的航迹不仅需符合无人机的动力结构还需尽可能的复杂度低。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)现有技术一运用几何数学的手段对无人机航迹进行规划，没有考虑无人机定位存在误差的问题，而误差会逐步积累可能导致任务失败的情况发生。(2)现有技术二通过无源定位的方式对无人机航迹进行规划，在航迹规划过程中没有考虑无人机动力结构的问题，无法满足无人机转弯半径所带来的约束。(3)现有技术三基于最小转弯半径来对无人机航迹进行规划，但该技术复杂程度较高，针对不同的场景需制定不同的转弯策略，无法满足无人机航迹规划对低程度复杂度的要求。解决上述技术问题的难度：现有技术一：该技术运用几何数学的手段对无人机航迹进行规划时需假设无人机时刻按预定路线进行飞行，而在飞行过程中产生定位误差是必然的，因此在规划航迹过程中需考虑定位误差所带来的影响。现有技术二：该技术采用快速A*搜索算法来规划航迹，并通过无源定位的方式来降低定位误差，但采用即时转弯的转弯策略不符合无人机的动力结构。现有技术三：该技术考虑无人机转弯半径，并根据不同的场景设计不同的转弯策略，但该技术复杂度较高。解决上述技术问题的意义：本专利技术采用基于动态切点调整的航迹规划方法，针对现有技术存在的问题，将航迹规划问题形式化为一个与定位误差校正次数、航迹长度和转弯半径相关的多目标优化问题，在保证定位误差得到有效校正的前提下优化航迹长度，并利用动态切点调整的方式来制定无人机的转弯策略。本专利技术可有效降低无人机航迹长度与算法复杂度并能符合无人机动力结构，相较于其他无人机航迹规划方法更能适用于实际场景应用，实现多约束条件下的无人机航迹快速规划。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于动态切点调整的无人机航迹规划方法。本专利技术是这样实现的，一种基于动态切点调整的无人机航迹规划方法，所述基于动态切点调整的无人机航迹规划问题形式化为一个与定位误差校正次数、航迹长度和转弯半径相关的多目标优化问题，在保证定位误差得到有效校正的前提下优化航迹长度，并利用动态切点调整的方式来制定无人机的转弯策略。进一步，所述基于动态切点调整的无人机航迹规划方法包括以下步骤：第一步，构建由1个出发点A、1个目的地B、M个水平校正点、N个垂直校正点组成的无人机航迹规划区域；第二步，基于无人机航迹规划区域，构建校正点选择策略；第三步，基于校正点选择策略，构建航迹规划方案；第四步，基于航迹规划方案，构建基于动态切点调整的无人机航迹规划方法。进一步，所述第一步构建由1个出发点A、1个目的点B、R个水平校正点、L个垂直校正点组成的无人机航迹规划区域，具体包括：(1)构建包含2+R+L点的无人机航迹规划区域，无人机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，无人机每飞行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，到达目的点时垂直误差和水平误差均应小于θ个单位，当垂直误差和水平误差均小于θ个单位时，无人机仍能够按照规划航迹飞行；(2)无人机在飞行过程中需要对定位误差进行校正，航迹规划区域内存在校正点可用于误差校正，当无人机到达校正点即能够根据该位置的误差校正类型进行误差校正，校正垂直和水平误差的位置可根据地形在航迹规划前确定，若垂直误差、水平误差都能得到及时校正，则无人机可以按照预定航线飞行，并通过若干个校正点进行误差校正后最终到达目的地；(3)无人机在出发点的垂直和水平误差均为0，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，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；(4)当无人机的垂直误差不大于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；(5)当无人机的垂直误差不大于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；(6)无人机在转弯时受到结构和控制系统的限制，无法完成即时转弯(飞行器前进方向无法突然改变)，无人机的最小转弯半径rmin＝200m。进一步，所述第二步基于无人机航迹规划区域，构建校正点选择策略具体包括：(1)经垂直/水平校正点交替校正后，飞行器能按照规划路径飞行的最远距离D1应满足以下关系：应在该距离内寻找本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于动态切点调整的无人机航迹规划方法，其特征在于，所述一种基于动态切点调整的无人机航迹规划方法将航迹规划问题形式化为一个与定位误差校正次数、航迹长度和转弯半径相关的多目标优化问题，在保证定位误差得到有效校正的前提下优化航迹长度，并利用动态切点调整的方式来制定无人机的转弯策略。本专利技术可有效降低无人机航迹长度与算法复杂度并能符合无人机动力结构，相较于其他无人机航迹规划方法更能适用于实际场景应用，实现多约束条件下的无人机航迹快速规划。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于动态切点调整的无人机航迹规划方法，其特征在于，所述一种基于动态切点调整的无人机航迹规划方法将航迹规划问题形式化为一个与定位误差校正次数、航迹长度和转弯半径相关的多目标优化问题，在保证定位误差得到有效校正的前提下优化航迹长度，并利用动态切点调整的方式来制定无人机的转弯策略。本发明可有效降低无人机航迹长度与算法复杂度并能符合无人机动力结构，相较于其他无人机航迹规划方法更能适用于实际场景应用，实现多约束条件下的无人机航迹快速规划。


2.如权利要求1所述的一种基于动态切点调整的无人机航迹规划方法，其特征在于，所述一种基于动态切点调整的无人机航迹规划方法包括以下步骤：
第一步，构建由1个出发点A、1个目的地B、M个水平校正点、N个垂直校正点组成的无人机航迹规划区域；
第二步，基于无人机航迹规划区域，构建校正点选择策略；
第三步，基于校正点选择策略，构建航迹规划方案；
第四步，基于航迹规划方案，构建基于动态切点调整的无人机航迹规划方法。


3.如权利要求2所述的一种基于动态切点调整的无人机航迹规划方法，其特征在于，所述第一步构建由1个出发点A、1个目的点B、R个水平校正点、L个垂直校正点组成的无人机航迹规划区域，具体包括：
(1)构建包含2+R+L点的无人机航迹规划区域，无人机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，无人机每飞行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，到达目的点时垂直误差和水平误差均应小于θ个单位，当垂直误差和水平误差均小于θ个单位时，无人机仍能够按照规划航迹飞行；
(2)无人机在飞行过程中需要对定位误差进行校正，航迹规划区域内存在校正点可用于误差校正，当无人机到达校正点即能够根据该位置的误差校正类型进行误差校正，校正垂直和水平误差的位置可根据地形在航迹规划前确定，若垂直误差、水平误差都能得到及时校正，则无人机可以按照预定航线飞行，并通过若干个校正点进行误差校正后最终到达目的地；
(3)无人机在出发点的垂直和水平误差均为0，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，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；
(4)当无人机的垂直误差不大于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；
(5)当无人机的垂直误差不大于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；
(6)无人机在转弯时受到结构和控制系统的限制，无法完成即时转弯(飞行器前进方向无法突然改变)，无人机的最小转弯半径rmin＝200m。


4.如权利要求2所述的一种基于动态切点调整的无人机航迹规划方法，其特征在于，所述第二步基于无人机航迹规划区域，构建校正点选择策略具体包括：
(1)经垂直/水平校正点交替校正后，飞行器能按照规划路径飞行的最远距离D1应满足以下关系：



应在该距离内寻找新的垂直校正点进行垂直校正，否则根据第一步所述约束条件无法按规划航迹飞行；
(2)经水平/垂直校正点交替校正后，飞行器能按照规划路径飞行的最远距离D2应满足以下关系：



应在该距离内寻找新的水平校正点进行水平校正，否则根据第一步所述约束条件无法按规划航迹飞行；
(3)若经垂直校正点校正后，飞行器不寻找水平校正点进行校正，仍寻找垂直校正点进行校正，那么飞行器能按照规划路径飞行的最远距离D3应满足以下关系：



若飞行超过该距离未进行校正，则在未来将无法进行垂直校正；
(4)若经水平校正点校正后，飞行器不寻找垂直校正点进行校正，仍寻找水平校正点进行校正，那么飞行器能按照规划路径飞行的最远距离D4应满足以下关系：



若飞行超过该距离未进行校正，则在未来将无法进行水平校正；
(5)综上所述，无人机选择垂直/水平交替校正方案可在飞行相同距离的条件下，取得最少校正次数。并且该方案在选择下一校正点时，仅需对不同组别的点进行计算即可，无需计算同组别的校正点，因此可以降低算法计算量，减少搜索次数。


5.如权利要求2所述的一种基于动态切点调整的无人机航迹规划方法，其特征在于，所述第三步基于校正点选择策略，构建航迹规划方案具体包括代价函数构建、校正点的范围构建、循环体构建、终止条件构建和优化方案比较五部分：
(1)本发明采用改进的A*算法进行航迹规划，首先构建代价函数，本发明的代价函数可表示为：
f(n)＝g(n)+h(n)(5)
其中，f(n)是从出发点经由节点n到目标点的代价函数，g(n)是在状态空间中从初始节点到n节点的实际代价，h(n)是从n到目的点最佳路径的估计代价；
在本发明中，g(n)为备选校正点到出发点A的欧式距离，h(n)为备选校正点到目的点B的欧式距离，假设起点A周围存在m个同类型校正点可作为备选，将这些校正点编号为N1,...,Nm，根据式(5)可计算每个点的代价函数，可表示为：



根据式(6)的计算结果，可选出最优的校...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈曦，何亦昕，李亚席，黄方慧，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61