一种基于航路点的无人机编队生成-切换航迹规划方法技术

本发明专利技术涉及一种基于航路点的无人机编队生成

【技术实现步骤摘要】
一种基于航路点的无人机编队生成
‑
切换航迹规划方法


[0001]本专利技术属于无人机集群编队飞行
，该专利技术可广泛应用于无人机多种队形的生成
‑
切换领域方面。

技术介绍

[0002]随着科学技术和战争体系的不断发展，对于一些需要大规模搜索或打击的复杂任务，单架无人机的任务能力和最大行程将受到限制，降低完成效率，增加了任务失败的概率。相比之下，多无人机的协同编队可以解决时间、空间和任务层面的冲突。当任务比较复杂，整个任务可以划分为一些简单的小任务。每架无人机携带不同的任务载荷以完成自己的任务，从而大大提高了任务的效率。
[0003]无人机编队是指多架无人机为适应任务需求而进行的某种队形排列和任务分配，从而形成一定的秩序飞行，已经成为了军事领域、科研工作者日常工作的重点内容，无人机编队飞行中，要求做好队形设计、控制无人机间的安全距离，做好动态化科学调整，维持航迹的准确性、安全性，以便高效完成指定工作。这个概念既包括了无人机执行任务过程中编队飞行时的队形生成、保持和切换，也涵盖了飞行任务的规划、组织本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于航路点的无人机编队生成
‑
切换航迹规划方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将起始点和编队样式点作为输入；所述的编队样式点包括以下五个基本参数：1)方位角α：指相对于起飞点或上一个编队样式点的位置方向，方位角α定义为与Y轴正方向的夹角，偏向X轴正方向为正；2)距离L：表示编队中心点在编队变换或者转弯前后沿方位角方向前进的距离长度；3)队形：表示编队飞行过程中队形库；4)队形间隔Δx：表示编队队形垂直于速度方向上的无人机相对位置间隔；5)队形间隔Δy：表示编队队形沿速度方向上的无人机相对位置间隔；根据每个编队样式点生成该编队航迹，编队航迹包括编队集结段、编队切换段和编队转弯段；步骤2：无人机编队从起飞点按照一定时间间隔一次起飞，到作战样式点S1形成第一个队形飞行，此过程为编队集结段，作战样式点S1对应的即为编队集结点；步骤2.1：编队集结点坐标计算采用下式计算编队集结段：其中，为无人机的起飞点坐标，α1为第一个编队样式点的方位角、L1为编队样式点距离，为编队样式点；根据S1的位置、队形样式及其参数Δx、Δy确定集结完成时各无人机的位置P
it
(x
it
,y
it
)；P
it
(x
it
,y
it
)坐标的计算方法如下：首先根据集结时的方位角α1，进行坐标旋转，使得S
launch
‑
S1段与坐标转换后的Y轴平行，新的坐标系看作将坐标系顺时针旋转
‑
α1后得到，对应的坐标转换关系为：因此在转换后的OX
’
Y
’
坐标系下的坐标为：根据的位置，无人机i在OX
’
Y
’
下的编队形成点P
′
it
(x
′
it
,y
′
it
)坐标为：其中Δx
i
和Δy
i
为S1样式点下无人机i相对于编队中心点的坐标；将OX
’
Y
’
下的编队形成点P
′
it
(x
′
it
,y
′
it
)进行坐标逆旋转，即可得到初始OXY下无人机i的编队形成位置P
it
(x
it
,y
it
)：P
it
(x
it
,y
it
)＝P
it
(
‑
x
′
it
×
sinα1+y
′
it
×
cosα1,x
′
it
×
cosα1+y
′
it
×
sinα1)依次可以生成编队内所有无人机的编队形成位置；步骤2.2：不考虑时间到达约束的无人机集结航迹计算将无人机发射点位置转换到OX
’
Y
’
坐标下的坐标为根据
和P
′
it
(x
′
it
,y
′
it
)计算编队集结航迹点；步骤2.3：考虑时间到达约束的无人机集结航迹调整由航迹点之间的欧拉距离计算得出航迹长度，将航迹长度相加得到规划总航迹长度C
i
，根据无人机的速度V
i
，计算得到无人机i的不考虑时间约束下的编队集结飞行时间为：以第一架无人机起飞时刻为0时刻，则无人机i按照上述航迹完成编队集结的时刻：t
i
＝t
if
+Δt
i
其中Δt
i
为无人机i与第一架无人机之间的发射时间间隔。在协同到达时间约束下，无人机编队需要同时以S1点为中心形成集结队形，因此无人机在不同时刻出发，需要等时刻到达无人机的集结位置点P
′
it
(x
′
it
,y
′
it
)；因此取编队内无人机到达集结位置点的最大时刻为时间基准，编队内任意无人机都在此时刻到达各自的集结位置点P
′
it
，无人机i的预估到达时刻与基准时刻t
max
的时间差t
igap
为：t
igap
＝t
max
‑
t
i
每架无人机根据各自的期望时间差t
igap
做航迹调整以保证时间协同完成编队集结任务：对无人机航迹进行逆变化，设P
′
ij
(x
′
ij
,y
′
ij
)为无人机i在OX
’
Y
’
坐标系下规划得到的第j个航迹点，则P
′
ij
(x
′
ij
,y
′
ij
)对应的OXY下的航迹点P
ij
(x
ij
,y
ij
)为：P
ij
(x
ij
,y
ij
)＝P
ij
(
‑
x
′
ij
×
sinα1+y
′
ij
×
cosα1,x
′
ij
×
cosα1+y
′
ij
×
sinα1)对所有航迹点进行坐标逆变换后得到无人机的集结航迹点；步骤3：从第二个编队样式点开始遍历编队样式点，根据当前队形样式点S
k
参数和上一个编队样式点S
k
‑1参数的不同判断无人机编队做队形切换动作或是转弯动作，当队形、队形间隔Δx和队形间隔Δy中任一参数发生改变时，判断此时编队为队形切换动作，进入到步骤4；若队形、队形间隔Δx和队形间隔Δy参数均保持不变，方位角α和距离L参数发生改变时，判断此时编队为编队转弯动作，进入到步骤5；步骤4：无人机编队队形切换，根据当前队形样式点S
k
参数和上一个编队样式点S
k
‑1的参数按照编队切换方案完成编队切换过程中航迹点的设计与计算：步骤4.1：编队切换完成点坐标计算对于样式点S
k
编队切换段，将上一样式点S
k
‑1段规划得到的最后一个航迹点看作该阶段规划的起点，根据上一阶段计算的S
k
‑1的位置、样式点S
k
的方位角α
k
和距离L
k
按照下式计算得到样式点S
k
的位置；根据S
k
的位置、队形样式及其参数Δx
k
、Δy
k
确定编队切换完成时各无人机的位置P
it
(x
it
,y
it
)；P
it
坐标的计算方法如下：
首先根据编队切换S
k
的方位角α1，进行坐标旋转，使得S
k
‑1‑
S
k
段与坐标转换后的Y
k
'轴平行，新的坐标系可以看作将坐标系顺时针旋转
‑
α
k
后得到，对应的坐标转换关系为：在OX
k
’
Y
k
’
坐标系下S
k
的坐标为：根据的位置，无人机i在OX
’
Y
’
下的编队形成点P
′
it
(x
′
it
,y
′
it
)坐标为：其中Δx
i
和Δy
i
为S
k
样式点下无人机i相对于编队中心点的坐标；将OX
k
’
Y
k
’
下的编队形成点P
′
it
(x
′
it
,y
′
it
)进行坐标逆旋转，即可得到初始OXY下无人机i的编队形成位置P
it
(x
it
,y
it
)：P
it
(x
it
,y
it
)＝P
it
(
‑
x
′
it
×
sinα
k
+y
′
it
×
cosα
k
,x
′
it
×
cosα
k
+y
′
it
×
sinα
k
)对编队中每架无人机均采用以上方法求得编队切换完成后无人机坐标；步骤4.2：不考虑时间到达约束的无人机编队切换航迹计算无人机集群编队无人机起始位置为S
k
‑1样式生成的最后一个航迹点，以无人机i为例，其编队切换起始航迹点为且编队切换形成位置按照步骤4.1进行计算为P
it
(x
it
,y
it
)；编队切换前的初始速度为V
start
，方向与S
k
‑1的方位角α
k
‑1相同，编队切换后的速度为V
end
，方向与S
k
的方位角α
k
相同，对应的相对速度角为：β＝α
k
‑
α
k
‑1无人机在不考虑时间到达约束下的编队切换航迹计算方法如下：首先将坐标系OXY沿无人机初始速度V
start
方向α
k
‑1进行坐标旋转形成新坐标系OX
k
‑1’
Y
k
‑1’
，使得无人机初始速度方向沿着OY
k
‑1’
方向，即沿着S
k
‑1方位角α
k
‑1进行坐标旋转，对应的坐标转换关系为：将无人机i编队切换起始航迹点为和编队切换形成位置点P
it
(x
it
,y
it
)按照上式进行坐标转换后得到坐标为和P
′
it
(x
′
it
,y
′
it
)；无人机i的切换起始点点坐标对应编队切换方案中编队起始点P0(x
i0
,y
i0
)，集结完成位置P
′
it
(x
′
it
,y
′
it
)对应编队切换方案中编队生成点Pt(x
it
,y
it
)，根据β的大小，分几种情况进行无人机编队切换航迹的设计；根据β的大小分情况生成编队内所有无人机的编队切换段航迹，即生成在满足转弯半径约束下的由编队切换起始航迹点坐标指向每架无人机对应的编队切换完成位置P
′
it
(x
′
it
,y
′
it
)的集结段航迹；步骤4.3：考虑时间到达约束的无人机切换航迹调整
对步骤4.2计算得到的每架无人机的航迹，分情况计算得到每架无人机规划得到的航迹总长度C
i
，根据无人机的速度V
i
，计算得到无人机i的不考虑时间约束下的编队切换飞行时间：无人机i的预估到达时刻与基准时刻t
max
的时间差t
igap
为：t
igap
＝t

【专利技术属性】
技术研发人员：张栋，王孟阳，唐硕，泮斌峰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：