一种高速无人机长-僚协同飞行航路自主生成方法技术

本发明专利技术公开了一种高速无人机长

【技术实现步骤摘要】
一种高速无人机长
‑
僚协同飞行航路自主生成方法


[0001]本专利技术属于无人机航路规划
，特别是涉及一种高速无人机长
‑
僚协同飞行航路自主生成方法。

技术介绍

[0002]在获取需遂行的飞行任务后，高速无人机航路规划分系统在任务区域内寻优规划飞行航路，使其满足相关性能约束，例如转弯半径、爬升率等。高速无人机航路规划需要处理非结构化、大范围、复杂的规划环境，并且为了满足协同要求，需要同时规划多无人机航路并满足在一定协同关系，能保证无人作战飞机按照指定的进入角/退出角到达/离开各自的任务航段。这对许多传统的路径规划算法(如A*算法，动态规划算法)提出了严峻的挑战，过分冗长的运行时间往往使其丧失实际可行性。
[0003]在高速无人机实际飞行应用中，往往采用较为繁琐的人为绘制航路的方式，结合大量飞行经验以及对高速无人机性能的深入了解，形成可飞行航路。此规划过程完全依靠人员经验及多轮仿真迭代，对飞行任务产生巨大的人力资源压力及时间成本压力。
[0004]目前，国内有很多单位开展了无人机航路规划的研究。专利《一种动态环境下无人机编队飞行的协同航迹智能规划方法》(专利号：CN201410577358.0)公开了一种动态环境下的无人机编队飞行协同航迹智能规划方法，包括基于Voronoi图和蚁群算法离线预飞协同航迹规划、基于RRT的航迹在线重规划以及编队队形重建，但蚁群算法在面临复杂环境下的大任务空间时，收敛速度较慢，预规划航路迭代将耗费大量时间。专利《一种基于空间网格的无人机群安全作业航线自动生成方法》(专利号：CN202211704666.6)公开了一种基于空间网格的无人机群安全作业航线自动生成方法，通过空间网格建模以及人工势场方法构建可行航路，并通过改航活动计算避免局部最优，但专利在构建势场时并未考虑无人机自身性能约束，所生成航路在实际高动态场景下的无法可达。专利《面向无人机编队保持的航路规划方法》(专利号：CN202210194008.0)公开了一种面向无人机编队保持的航路规划方法，通过对编队转弯过程建立编队模型，求解非线性规划问题，从而得出满足僚机动力学约束的航路，专利只考虑僚机航路的编队转弯约束求解问题，长机航路同样需要满足编队转弯的要求，以实现整体编队效果。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决上述
技术介绍
中提出的问题，提供一种高速无人机长
‑
僚协同飞行航路自主生成方法。
[0006]为了实现本专利技术目的，本专利技术公开了一种高速无人机长
‑
僚协同飞行航路自主生成方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、根据飞行任务确定高速无人机长机预规划航路以及长
‑
僚机协同关系；
[0008]步骤2、根据无人机转弯半径约束，对长机预规划航路进行非必经点约束空间几何折线规划，生成长机折线航路；
[0009]步骤3、根据无人机爬升率约束，对长机折线航路进行约束空间自适应高度升沉规划，生成长机规划航路；对于非必经点，以升沉约束高度作为航点高度；对于必经点，通过生成自适应高度升沉三维回形梯度航段，实现航点高度可达；
[0010]步骤4、根据长
‑
僚机间的相对位置关系与协同飞行航段的要求，对长机规划航路进行分段自适应协同匹配规划，生成长
‑
僚机协同飞行航路。
[0011]进一步地，步骤1具体为：
[0012]根据飞行任务，设定预规划航路，
[0013]{P
Pre(i)
(x
Pre(i)
,y
Pre(i)
,z
Pre(i)
,v
Pre(i)
,λ
Pre(i)
,β
Pre(i)
)|i∈(1,n)}
[0014]其中(x
Pre(i)
,y
Pre(i)
,z
Pre(i)
)为航点P
Pre(i)
的三维空间坐标位置；v
Pre(i)
为航点P
Pre(i)
的速度；λ
Pre(i)
为必经点标识；β
Pre(i)
为长
‑
僚机协同航路标识；通过预规划航路，划定飞行区域、任务航段与协同航段。
[0015]进一步地，步骤2具体为：
[0016]针对预规划航路中非必经要求的航点P
Pre(i)
{λ
Pre(i)
＝0}，若不满足无人机转弯半径约束，即无人机在航点P
Pre(i)
转弯时，P
Pre(i)
所处前后航段夹角δ(P
Pre(i)
)无法满足所需转弯角的要求，
[0017][0018]公式(1)中，φ
max
为高速无人机最大滚转角；g为重力加速度；R(P
Pre(i)
)为过航点P
Pre(i)
的转弯半径；L
tmax
为高速无人机提前转弯的最大距离。以P
Pre(i)
为中心分别沿航段P
Pre(i
‑
1)
～P
Pre(i)
以及P
Pre(i)
～P
Pre(i+1)
向前、向后以R(P
Pre(i)
)为半径取折线点，
[0019]P
Turn(i)
(x
Turn(i)
,y
Turn(i)
,z
Turn(i)
,v
Turn(i)
,λ
Turn(i)
,β
Turn(i)
)
[0020]那么根据几何关系可以得到
[0021][0022][0023][0024][0025]上式(2)～(5)中，ψ(P
Pre(i
‑
1)
,P
Pre(i)
)与ψ(P
Pre(i)
,P
Pre(i+1)
)分别表示航点的前向航段航向与后向航段航向；D(
·
)为两航点连线在二维平面的映射距离。依上式可得折线点信息，预规划航路航点经过步骤2依次规划，可得折线规划航路
[0026]{P
Turn(i)
(x
Turn(i)
,y
Turn(i)
,z
Turn(i)
,v
Turn(i)
,λ
Turn(i)
,β
Turn(i)
)|i∈(1,m)}。
[0027]进一步地，步骤3具体为：
[0028]设计约束空间自适应高度升沉规划，生成长机规划航路：
[0029]{P
C(i)
(x
C(i本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速无人机长
‑
僚协同飞行航路自主生成方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、根据飞行任务确定高速无人机长机预规划航路以及长
‑
僚机协同关系；步骤2、根据无人机转弯半径约束，对长机预规划航路进行非必经点约束空间几何折线规划，生成长机折线航路；步骤3、根据无人机爬升率约束，对长机折线航路进行约束空间自适应高度升沉规划，生成长机规划航路；对于非必经点，以升沉约束高度作为航点高度；对于必经点，通过生成自适应高度升沉三维回形梯度航段，实现航点高度可达；步骤4、根据长
‑
僚机间的相对位置关系与协同飞行航段的要求，对长机规划航路进行分段自适应协同匹配规划，生成长
‑
僚机协同飞行航路。2.根据权利要求1所述的一种高速无人机长
‑
僚协同飞行航路自主生成方法，其特征在于，步骤1具体为：根据飞行任务，设定预规划航路，{P
Pre(i)
(x
Pre(i)
,y
Pre(i)
,z
Pre(i)
,v
Pre(i)
,λ
Pre(i)
,β
Pre(i)
)|i∈(1,n)}其中(x
Pre(i)
,y
Pre(i)
,z
Pre(i)
)为航点P
Pre(i)
的三维空间坐标位置；v
Pre(i)
为航点P
Pre(i)
的速度；λ
Pre(i)
为必经点标识；β
Pre(i)
为长
‑
僚机协同航路标识；通过预规划航路，划定飞行区域、任务航段与协同航段。3.根据权利要求1所述的一种高速无人机长
‑
僚协同飞行航路自主生成方法，其特征在于，步骤2具体为：针对预规划航路中非必经要求的航点P
Pre(i)
{λ
Pre(i)
＝0}，若不满足无人机转弯半径约束，即无人机在航点P
Pre(i)
转弯时，P
Pre(i)
所处前后航段夹角δ(P
Pre(i)
)无法满足所需转弯角的要求，式(1)中，φ
max
为高速无人机最大滚转角；g为重力加速度；R(P
Pre(i)
)为过航点P
Pre(i)
的转弯半径；L
tmax
为高速无人机提前转弯的最大距离；以P
Pre(i)
为中心分别沿航段P
Pre(i
‑
1)
～P
Pre(i)
以及P
Pre(i)
～P
Pre(i+1)
向前、向后以R(P
Pre(i)
)为半径取折线点P
Turn(i)
(x
Turn(i)
,y
Turn(i)
,z
Turn(i)
,v
Turn(i)
,λ
Turn(i)
,β
Turn(i)
)，预规划航路航点经过步骤2依次规划，可得折线规划航路{P
Turn(i)
(x
Turn(i)
,y
Turn(i)
,z
Turn(i)
,v
Turn(i)
,λ
Turn(i)
,β
Turn(i)
)|i∈(1,m)}。4.根据权利要求1所述的一种高速无人机长
‑
僚协同飞行航路自主生成方法，其特征在于，步骤3具体为：设计约束空间自适应高度升沉规划，生成长机规划航路：{P
C(i)
(x
C(i)
,y
C(i)
,z
C(i)
,v
C(i)
,λ
C(i)
,β
C(i)
)|i∈(1,k)}对非必经要求的航点P
Turn(i)
{λ
Turn(i)
＝0}，以升沉约束高度作为航点设定高度，
z
C(i)
＝z
Turn(i
‑
1)
+ΔH(P
Turn(i
‑
1)
,P
Turn(i)
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式(2)中，C为无人机航段高度的爬升率约束；ΔH为航段的升沉约束高差；若升沉约束高差ΔH低于航段现有高差，则以ΔH为设定高差，对航点设定高度进行调整，...

【专利技术属性】
技术研发人员：马岩，程前，詹棋远，孙长岭，
申请(专利权)人：中国人民解放军总参谋部第六十研究所，
类型：发明
国别省市：