一种基于重力场异常场的无人直升机航线规划方法技术

本发明专利技术涉及一种基于重力场异常场的无人直升机航线规划方法，其步骤为：构建地形威胁模型，计算地形威胁重力场异常模型场，生成适飞区域，分块遴选飞行航线集，执行航线评价函数，计算初始最优飞行航线，采用3次B

【技术实现步骤摘要】
一种基于重力场异常场的无人直升机航线规划方法


[0001]本专利技术属于无人直升机航线规划领域，涉及到使用无人直升机性能和环境威胁等信息规划出最优飞行航线方法，具体是一种基于重力场异常场的无人直升机航线规划方法。

技术介绍

[0002]目前国内外民用无人机迅猛发展，在许多领域得到广泛的应用。民用无人机有鲜明的特点如灵活性高、成本低等，但是也有许多不足，如续航时间短，内存有限等。这些特点一方面促进了无人机的应用，另一方面对传统的航线规划方法带了极大的挑战，目前尚没有形成快速而安全的规划理论及方法满足市场的需求，因此如何研究新型的飞行航线规划方法，保证无人机安全、降低飞行成本、减少算法的复杂性、提高规划时间，成为当今无人机应用部门所面临的迫切任务。

技术实现思路

[0003](1)构建地形威胁模型，数学描述如下：
[0004][x，y]＝meshgrid(xv，yv)
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(1)
[0005]xv＝xas；xad：xae
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(2)
[0006]yv＝yas：yad：yae
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(3)
[0007][0008]上述公式中，“[]”为表示矩阵的符号，xv、yv、meshgrid、x、y表示横坐标及纵坐标离散向量、根据离散向量将空域分割为二维离散矩阵的函数及其返回的代表横、纵坐标的二维离散矩阵，xas、xad和xae分别表示规划空域内横坐标离散向量的最小值、离散步长和最大值，冒号“：”表示生成是生成包含从起始值xas到终止值xae之间步长为xad的行向量，yas、yad和yae分别表示规划空域内纵坐标离散向量的最小值、离散步长和最大值，单位为公里；z表示横坐标x及纵坐标y处的地形威胁模型值，单位为米，abs表示取绝对值的函数，e是指数函数；
[0009](2)计算地形威胁重力场异常模型场：
[0010]首先利用公式(5)～(7)得到横坐标矩阵x和纵坐标矩阵y对应的纬度坐标矩阵lat和经度坐标矩阵lng：
[0011]lng＝(x/20037508.34)*180
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(5)
[0012]lat＝(y/20037508.34)*180
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(6)
[0013]lat＝(180/pi)*(2*atan(exp((lat*pi)/180))*pi/2)
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(7)
[0014]公式(5)～(7)中，lng、lat分别为横坐标矩阵x对应的纬度坐标矩阵和纵坐标矩阵y对应经度坐标矩阵，单位为度，pi、atan、exp分别表示圆周率π、反正切函数和指数函数；
[0015]然后利用公式(8)～(10)得到地形威胁重力场异常模型场：将lng、lat代入公式
(8)计算出对应的地形威胁模型的重力异常值：
[0016]cg(i，j)＝cylinder_gravity_anomaly(a，l，d，z(i，j)，z(i，j)，lat(i，j)，lng(i，j))
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(8)
[0017]i∈range(1，xae，1)
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(9)
[0018]j∈range(1，yae，1)
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(10)公式(5)～(7)中，cg(i，j)表示在横坐标i和纵坐标j处的重力异常值，单位为伽，cylinder_gravity_anomaly表示基于圆柱体计算重力异常值的函数，a、l、d分别为圆柱体的半径、高度和直径，单位为米，range为生成起始值均为1、结束值分别为x和y、步长均为1的等差数列函数；
[0019](3)生成适飞区域，分块遴选飞行航线集：
[0020]首先利用公式(11)初始化考虑飞行安全性的地形边界威胁提取三维模型cz：
[0021]cz(i，j)＝Ch*z(i，j)
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(11)
[0022]公式(11)中，cz(i，j)表示在横坐标i和纵坐标j处考虑飞行安全性的地形边界威胁提取三维模型值，Ch表示无人机到地形威胁的安全距离常数。
[0023]其次利用公式(12)～(16)获得考虑飞行安全性的地形边界威胁提取二维边界分割图像，以此为基础提取二维边界点坐标集：
[0024]im＝imagesc(cz)
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(12)
[0025]imwrite(im.CData，
′
EL
′
)
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(13)
[0026]im1＝imread(
′
FL
′
)
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(14)
[0027]im3＝im2bw(im1)
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(15)
[0028]BW2＝bwmorph(im3，
′
remtove
′
)
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(16)
[0029]公式(12)～(16)中，imagesc、im分别表示将矩阵cz中的元素数值按大小转化为不同颜色，并在坐标轴对应位置处以这种颜色染色的函数及其返回的图像，im.CData、FL、imwrite表示影像im对应的数据矩阵值、文件名、将im.CData数据以文件名FL保存到磁盘的函数，imread、im1分别表示将图像文件FL影像读取到内存的函数并以存储到变量im1中，im2bw、im3分别表示将图像变量im1进行二值化操作处理的函数及其返回的二值化图像，im3、remove、bwmorph、BW3分别表示除去选项、将图像变量im3以除去选项进行腐蚀操作的函数及其返回的二值化图像；
[0030]然后利用公式(16)执行提取二维边界点平面坐标集的操作，结合地形威胁重力场异常模型场分块遴选出飞行航线集：
[0031][0032]i∈range(1，size(BW2，1)，1)
[0033]j∈range(1，size(BW2，2)，1)
[0034]公式(16)中，bdx、bdy分别表示二维边界点平面坐标集的横坐标和纵坐标集，{i，j}，{}分别表示包含横坐标i和纵坐标j的集合和空集，size为求矩阵维度的函数；
[0035]最后利用公式(17)～(19)执行安全飞行区域精细遴选，获得适飞区域矩阵CMT：
[0036][in，on]＝inpolygon(x，y，bwr，bwl)
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(17)
[0037]xc＝x(～in)
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(18)
[0038]yc＝y(～in)
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(19)
[0039]xp＝xas：xadp：xae
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(20)
[0040][vl2(i)，vix2(i)]＝find(xp(i
‑
1)<xc<xp(i))
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于重力场异常场的无人直升机航线规划方法，其特征采用以下实现步骤：(1)构建地形威胁模型，数学描述如下：[x，y]＝meshgrid(xv，yv)
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(1)xv＝xas：xad：xae
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(2)yv＝yas：yad：yae
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(3)上述公式中，“[]”为表示矩阵的符号，xv、yv、meshgrid、x、y表示横坐标及纵坐标离散向量、根据离散向量将空域分割为二维离散矩阵的函数及其返回的代表横、纵坐标的二维离散矩阵，xas、xad和xae分别表示规划空域内横坐标离散向量的最小值、离散步长和最大值，冒号“：”表示生成是生成包含从起始值xas到终止值xae之间步长为xad的行向量，yas、yad和yae分别表示规划空域内纵坐标离散向量的最小值、离散步长和最大值，单位为公里；z表示横坐标x及纵坐标y处的地形威胁模型值，单位为米，abs表示取绝对值的函数，e是指数函数；(2)计算地形威胁重力场异常模型场：首先利用公式(5)～(7)得到横坐标矩阵x和纵坐标矩阵y对应的纬度坐标矩阵lat和经度坐标矩阵lng：lng＝(x/20037508.34)*180
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(5)lat＝(y/20037508.34)*180
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(6)lat＝(180/pi)*(2*atan(exp((lat*pi)/180))*pi/2)
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(7)公式(5)～(7)中，lng、lat分别为横坐标矩阵x对应的纬度坐标矩阵和纵坐标矩阵y对应经度坐标矩阵，单位为度，pi、atan、exp分别表示圆周率π、反正切函数和指数函数；然后利用公式(8)～(10)得到地形威胁重力场异常模型场：将lng、lat代入公式(8)计算出对应的地形威胁模型的重力异常值：cg(i，j)＝cylinder_gravity_anomaly(a，l，d，z(i，j)，z(i，j)，lat(i，j)，ln9(i，j))
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(8)i∈range(1，xae，1)
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(9)j∈range(1，yae，1)
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(10)公式(5)～(7)中，cg(i，j)表示在横坐标i和纵坐标j处的重力异常值，单位为伽，cylinder_gravity_anomaly表示基于圆柱体计算重力异常值的函数，a、l、d分别为圆柱体的半径、高度和直径，单位为米，range为生成起始值均为1、结束值分别为x和y、步长均为1的等差数列函数；(3)生成适飞区域，分块遴选飞行航线集：首先利用公式(11)初始化考虑飞行安全性的地形边界威胁提取三维模型cz：cz(i，j)＝Ch*z(i，j)
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(11)公式(11)中，cz(i，j)表示在横坐标i和纵坐标j处考虑飞行安全性的地形边界威胁提取三维模型值，Ch表示无人机到地形威胁的安全距离常数。其次利用公式(12)～(16)获得考虑飞行安全性的地形边界威胁提取二维边界分割图像，以此为基础提取二维边界点坐标集：im＝imagesc(cz)
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(12)
imwrite(im.CData，
′
FL
′
)
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(13)im1＝imread(
′
FL
′
)
ꢀꢀꢀ
(14)im3＝im2bw(im1)
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(15)BW2＝bwmorph(im3，...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛宗伟，刘丽峰，邹恩宇，张强，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：