一种小型固定翼无人机地形突防规划方法技术

本发明专利技术提供了一种小型固定翼无人机地形突防规划方法，基于数字地图的高程数据，构建与无人机机动性能相匹配的地形威胁模型；采用基于A

【技术实现步骤摘要】
一种小型固定翼无人机地形突防规划方法


[0001]本专利技术涉及无人机任务控制
，尤其是一种无人机地形突防规划方法。

技术介绍

[0002]小型固定翼无人机因其巡航速度快、使用成本低，在各种环境下被广泛使用。在高原、山地等复杂地形环境下，小型固定翼无人机常被用于前突侦察，为后方的直升机、地面车辆或人员提供前方态势。传统上，操作员在小型固定翼无人机起飞前，依据粗略地形为无人机加载预设航路，在无人机飞行过程中实时操控调整，以避免与威胁地形相撞。这种方法航路安全性低，人员操作负担重。有人对地形进行复杂的滤波，处理为平滑的威胁曲面，存在较大失真，且此过程中未考虑无人机的机动性能，实际飞行时会出现无人机转弯过程中撞山的危险。有人以地形跟随为目的，设计了三维曲线航路，但计算量大，航路难以被无人机跟随，工程化实施困难。有人引入了遗传算法、模拟退火算法进行航路的求解，但此类算法在嵌入式环境下运行缓慢，耗时几秒甚至几十秒，且存在无解的可能，不适用于无人机在线规划。由于计算资源和机动性能受限，尚未看到小型固定翼无人机实施地形突防的成功工程案例。

技术实现思路

[0003]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种小型固定翼无人机地形突防规划方法，属于无人机任务控制
，用以解决小型固定翼无人机复杂地形环境下计算效率低、安全性不高问题。本专利技术基于数字地图的高程数据，构建与无人机机动性能相匹配的地形威胁模型；考虑飞行效率和安全性，采用基于A
*
算法改进的航路规划方法，生成初始航路；为提升航路可飞行，删除冗余航点，生成优化航路。相较于传统的无人机威胁规避规划问题，本专利技术能够在复杂地形环境下使用，生成的航路飞行效率高、安全性好，工程化程度高，能够有力支撑无人机小型固定翼无人机完成地形突防。本专利技术在构建地形威胁模型的基础上，采用改进的A
*
算法生成航路并进行优化，以提升地形突防的飞行效率和安全性。
[0004]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案采用如下步骤：
[0005]步骤(一)基于数字地图的高程数据，构建与无人机机动性能相匹配的地形威胁模型；
[0006]突防区域的数字地图的高程数据的行数为n
row
，列数为n
col
，每个高程数据点内容包括坐标(u,v)和高度H
u,v
，其中u为行坐标，1≤u≤n
row
；v为列坐标，1≤v≤n
col
，高程数据行之间的距离为t
V
，列之间的距离为t
H
；
[0007]小型固定翼无人机飞行高度为H0，进行地形突防的起始点坐标为(u
S
,v
S
)，终点坐标为(u
E
,v
E
)，可用最小转弯半径为R；
[0008]每个高程点对应一个威胁栅格点，一个威胁栅格点包括坐标(u,v)和威胁度T
u,v
，威胁栅格的坐标与高程数据一致，根据每个高程数据点的高度H
u,v
生成威胁度T
u,v
；
[0009]步骤(二)考虑飞行效率和安全性，采用基于A*算法改进的航路规划方法，生成初
始航路；
[0010]每个威胁栅格点对应一个规划栅格点，一个规划栅格点内容包括坐标(u,v)、父栅格坐标(u
P
,v
P
)、历史代价g
u,v
、预估代价h
u,v
、在开集标志在闭集标志和综合代价f
u,v
；其中，规划栅格点的坐标(u,v)与威胁栅格点一致；父栅格坐标(u
P
,v
P
)为到该规划栅格点的前一个规划栅格点的坐标；历史代价g
u,v
是指从起始点(u
S
,v
S
)到该规划栅格点的代价；预估代价h
u,v
是指从该规划栅格点到终点(u
E
,v
E
)的可能代价；在开集标志指示着该规划栅格点是否在待选的航路点集合内，表示该规划栅格点在待选的航路点集合内，表示该规划栅格点不在待选的航路点集合内；在闭集标志指示着该规划栅格点是否已被确认为是航路点或不是航路点，表示该规划栅格点已被确认为是航路点或不是航路点，表示该规划栅格点未被确认为是航路点或不是航路点。综合代价f
u,v
为历史代价g
u,v
与预估代价h
u,v
之和，即：
[0011]f
u,v
＝g
u,v
+h
u,v
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0012]步骤(三)优化航路生成
[0013]生成的初始航路需要进行裁剪优化，裁剪优化的步骤如下：
[0014]设初始航路上任意两个航路点的规划栅格点坐标分别为两点之间连线的距离为d
p,q
，d
p,q
按式(13)计算：
[0015][0016]离散化这两点之间连线，离散化步长设为τ；
[0017]τ＝min(t
H
,t
V
)
ꢀꢀ
(14)
[0018]离散化段数设为n
d
，按式(15)计算获得：
[0019]n
d
＝ceil(d
p,q
/τ)
ꢀꢀ
(15)
[0020]设离散化的第δ段右端点的规划栅格点坐标为按式(16)计算获得：
[0021][0022]设规划栅格点对应的威胁度为如果则认为与的连线穿过了威胁；如果第1、2、
…
、n
d
‑
1段右端点的威胁度均等于0，则认为与的连线未穿过威胁；
[0023]将起始点(u
S
,v
S
)设为优化航路的第一个点，终点(u
E
,v
E
)为优化航路的最后一个点；使用两重循环方式检查初始航路的其他点；两重循环的变量均为初始航路的序列号m(1
≤m≤n
h
)；为便于区分，设第一重循环的变量为m
o
，初始值设置为1；设第二重循环的变量为m
s
，初始值设置为n
h
；按以下步骤处理初始航路，获取优化航路：
[0024]a)判断m
o
对应的规划栅格点与m
s
对应的规划栅格点的连线是否穿过威胁，如果穿过了威胁，转入b)；否则，将加入到优化航路，第一重循环变量m
o
的数值设置为m
s
的数值，第二重循环变量m
s
的数值重设为n
h
，转入c)；
[0025]b)第二重循环变量m
s
的数值减去1，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小型固定翼无人机地形突防规划方法，其特征在于包括下述步骤：步骤(一)基于数字地图的高程数据，构建与无人机机动性能相匹配的地形威胁模型；突防区域的数字地图的高程数据的行数为n
row
，列数为n
col
，每个高程数据点内容包括坐标(u,v)和高度H
u,v
，其中u为行坐标，1≤u≤n
row
；v为列坐标，1≤v≤n
col
，高程数据行之间的距离为t
V
，列之间的距离为t
H
；小型固定翼无人机飞行高度为H0，进行地形突防的起始点坐标为(u
S
,v
S
)，终点坐标为(u
E
,v
E
)，可用最小转弯半径为R；每个高程点对应一个威胁栅格点，一个威胁栅格点包括坐标(u,v)和威胁度T
u,v
，威胁栅格的坐标与高程数据一致，根据每个高程数据点的高度H
u,v
生成威胁度T
u,v
；步骤(二)考虑飞行效率和安全性，采用基于A*算法改进的航路规划方法，生成初始航路；每个威胁栅格点对应一个规划栅格点，一个规划栅格点内容包括坐标(u,v)、父栅格坐标(u
P
,v
P
)、历史代价g
u,v
、预估代价h
u,v
、在开集标志在闭集标志和综合代价f
u,v
；其中，规划栅格点的坐标(u,v)与威胁栅格点一致；父栅格坐标(u
P
,v
P
)为到该规划栅格点的前一个规划栅格点的坐标；历史代价g
u,v
是指从起始点(u
S
,v
S
)到该规划栅格点的代价；预估代价h
u,v
是指从该规划栅格点到终点(u
E
,v
E
)的可能代价；在开集标志指示着该规划栅格点是否在待选的航路点集合内，表示该规划栅格点在待选的航路点集合内，表示该规划栅格点不在待选的航路点集合内；在闭集标志指示着该规划栅格点是否已被确认为是航路点或不是航路点，表示该规划栅格点已被确认为是航路点或不是航路点，表示该规划栅格点未被确认为是航路点或不是航路点；综合代价f
u,v
为历史代价g
u,v
与预估代价h
u,v
之和，即：f
u,v
＝g
u,v
+h
u,v
ꢀꢀꢀꢀ
(4)步骤(三)优化航路生成生成的初始航路需要进行裁剪优化，裁剪优化的步骤如下：设初始航路上任意两个航路点的规划栅格点坐标分别为两点之间连线的距离为d
p,q
，d
p,q
按式(13)计算：离散化这两点之间连线，离散化步长设为τ；τ＝min(t
H
,t
V
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)离散化段数设为n
d
，按式(15)计算获得：n
d
＝ceil(d
p,q
/τ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)设离散化的第δ段右端点的规划栅格点坐标为按式(16)计算获得：
设规划栅格点对应的威胁度为如果则认为与的连线穿过了威胁；如果第1、2、
…
、n
d
‑
1段右端点的威胁度均等于0，则认为与的连线未穿过威胁；将起始点(u
S
,v
S
)设为优化航路的第一个点，终点(u
E
,v
E
)为优化航路的最后一个点；使用两重循环方式检查初始航路的其他点；两重循环的变量均为初始航路的序列号m(1≤m≤n
h
)；为便于区分，设第一重循环的变量为m
o
，初始值设置为1；设第二重循环的变量为m
s
，初始值设置为n
h
；两重循环完成后，即可得到优化航路；优化航路的航点数目为n
z
，优化航路中的规划栅格点坐标表示为其中1≤β≤n
z
；优化航路为该方法的最终计算结果，将优化航路中的每个规划栅格点对应的经度、纬度发送到无人机飞行控制系统中，无人机即可按照优化航路进行地形突防。2.根据权利要求1所述的小型固定翼无人机地形突防规划方法，其特征在于：所述生成威胁度T
u,v
的具体步骤如下：最小转弯半径为R对应的威胁栅格数为：n
R
＝ceil(R/min(t
H
,t
V
))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中min(t
H
,t
V
)为取t
H
、t
V
的最小值，ceil(
·
)为向上取整；对于每一个高程数据点(u,v)，按式(2)进行第一次处理，获得每个威胁栅格点的初始威胁度T
′
u,v
：初始威胁度等于255的威胁栅格点坐标为(u
′
,v
′
)，对每个栅格点按式(3)进行第二次处理，得到威胁度T
u,v
：3.根据权利要求1所述的小型固定翼无人机地形突防规划方法，其特征在于：所述生成初始航路的具体步骤为：1)算法初始化
对每个规划栅格点(u,v)，完成对每个规划栅格点的历史代价g
u,v
、预估代价h
u,v
、在开集标志在闭集标志综合代价f
u,v
的初始化，初始化步骤如下：a)历史代价g
u,v
设为0；b)预估代价h
u,v
按式(5)计算：h
u,v
＝t
V
|u
‑
u
E
|+t<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永胜，高瑞周，吕迎迎，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，
类型：发明
国别省市：