一种多目标约束的低空无人机航路规划设计方法技术

本发明专利技术公开了一种多目标约束的低空无人机航路规划设计方法，属于民航延误分析技术领域。首先基于城市低空需求设置初始航路点与航路网络，随后引入冲突约束、三区约束、通行需求约束等约束，通过移动航路点与重构航路网络，以实现空域容量、运行成本、运行安全性等多目标函数最优，从而针对不同低空环境设计出相应的无人机低空航路网络。

【技术实现步骤摘要】
一种多目标约束的低空无人机航路规划设计方法
本专利技术属于无人机航路规划
，根据需求构建航路点与初始航路网络，设置多个约束条件，通过移动航路点与重构航路网络，实现多目标函数最优，进而设计无人机低空航路网络。
技术介绍
UTM场景下关城市低空无人机的相关研究以飞行规划为主，而航路网络规划较少。由于城市低空空域的连续性与复杂性，为减轻复杂度，目前构建空域环境研究较多采用网格法(Grid)建立低空无人机低空飞行空域环境，网格化表示将三维地理信息映射到网格中，首先将空域环境划分为网格块，然后根据网格内包含的航点(通信点、机场、临时降落区、降落等待区等)、限制区和通信、导航和监视能力，将网格分为障碍网格和自由网格。自此，空域环境由自由网格和障碍网格构成，并形成一个连通图。这样，航路规划问题就转化成对自由网格的规划问题，即在该连通图上寻找从起始网格到终点网格的规避障碍物的最优路径。UTM场景下的航空网络的主要特点有：低空无人机航路网络，它相比于传统的飞行器，具有以下的特征，首先是由于是城市低空，障碍物分布更加复杂。其次是城市无人机节点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多目标约束的低空无人机航路规划设计方法，其特征在于：具体步骤为：/n步骤1：确定航路网络作用的区域；/n步骤2：确定区域内有效空域；/n步骤3：提取有效区空域内的城市轮廓；/n步骤4：城市轮廓中构建节点；/n步骤5：构建航路连边，形成初始航路网络；/n步骤6：引入约束条件，确定多目标函数，优化无人机中心位置与连边，构建满足约束条件且多目标函数达到最优的航路网络。/n

【技术特征摘要】
1.一种多目标约束的低空无人机航路规划设计方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤1：确定航路网络作用的区域；
步骤2：确定区域内有效空域；
步骤3：提取有效区空域内的城市轮廓；
步骤4：城市轮廓中构建节点；
步骤5：构建航路连边，形成初始航路网络；
步骤6：引入约束条件，确定多目标函数，优化无人机中心位置与连边，构建满足约束条件且多目标函数达到最优的航路网络。


2.如权利要求1多目标约束的低空无人机航路规划设计方法，其特征在于：步骤4中节点构建方法为：
A：确定无人机需求区域，并将区域拆分为离散需求点；
B：有限覆盖法选取无人机中心位置作为节点。


3.如权利要求2多目标约束的低空无人机航路规划设计方法，其特征在于：选取无人机中心位置，具体表述为最大化：



有
xj∈{0,1},j∈J
yi∈{0,1},i∈I，I为需求点的集合



di,j≤r
其中，xj表示第j个候选被选中情况，被选中表示为1，未选中表示为0；yi表示需求点i被覆盖情况，被无人机中心覆盖表示为1，未覆盖表示为0；I表示需求点的集合；J表示候选无人机中心位置的集合；di,j表示需求点i到无人机中心j的距离(欧几里得距离)；K表示选择的无人机中心位置数量；r表示需求点与无人机中心位置之间的最大距离。


4.如权利要求1多目标约束的低空无人机航路规划设计方法，其特征在于：步骤5中根据构建的节点，采用Kruskal算法相连，构成内部联通的无人机航路网络。


5.如权利要求4多目标约束的低空无人机航路规划设计方法，其特征在于：具体方式为：
首先，初始最小有效无人机航路网络边数为0，每迭代一次就选择一条最小代价边，加入到最小有效无人机航路网络的边集合里；
随后通过下述步骤构建连边：
(1)将最小有效无人机航路网络的边集合里的所有边按代价从小到大排序；
(2)将无人机航路网络中的n个无人机中心看成独立的n个有效无人机航路网络组成的航路网络集合；
(3)按权值从小到大选择边，所选的边连接的两个无人机中心ui,vi应属于两个不同的有效无人机航路网络，该边成为最小有效无人机航路网络的一条边，并将两个无人机中心ui,vi所属的两个有效无人机航路网合并作为一个有效无人机航路网络；
(4)重复步骤(3)，直到所有顶点都在一个有效无人机航路网内且整个网络有n-1条边为止...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹先彬，杜文博，李思远，张明远，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11