一种动态环境下平流层飞艇航线规划方法技术

技术编号：40230060 阅读：8 留言：0更新日期：2024-02-02 22:32

本发明专利技术涉及自动控制技术领域，特别是涉及一种动态环境下平流层飞艇航线规划方法，包括以下步骤：建立平流层飞艇在考虑外界环境约束的航迹规划模型；结合A*算法和改进的快速搜索随机树RRT算法设计启发函数优化飞艇的飞行航线；当平流层飞艇沿规划的航线飞行过程中监测到障碍区域发生变化时，利用混合优化算法进行航线在线重规划，使其成功避开障碍区域。本发明专利技术采用上述一种动态环境下平流层飞艇航线规划方法，以规划一条当前位置点到任务点之间距离短、可跟踪性强、能量消耗少的航线，并考虑外界环境动态变化的情况，在外界环境变化时能够实现航线的重规划。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及自动控制，特别是涉及一种动态环境下平流层飞艇航线规划方法。

技术介绍

1、平流层飞艇是一种高空无人飞行器，可在平流层空间执行深空探测、对地观测和通信服务等任务，具有广泛的应用价值。随着平流层飞艇制造技术不断发展，提高其长时驻空与自主飞行能力成为其大规模应用的前提。一方面，平流层飞艇是一个具有多分系统耦合特性的飞行器，为提高长时驻空能力，应尽可能减少任务执行过程中的能量消耗；另一方面，在平流层飞艇执行任务的过程中，需要考虑动态外界飞行环境带来的约束限制，例如需规避障碍区域或障碍物，为提高任务执行安全性并降低任务执行过程中复杂操作所需的人力成本，平流层飞艇应具备更高的自主性。因此需要提出一个能够在动态的飞行环境中自动航线规划的方法，以提高任务执行高效性和可靠性。目前一些学者已经针对无人飞行器航线规划问题做了相关研究，但是平流层飞艇作为一种弱动力飞行器，外界风场对于其自主飞行具有较大的影响，目前的航线规划算法对于平流层飞艇并不适用；而对于动态环境下的平流层飞艇航迹规划，尚未有适合的解决方案。

技术实现思路

1、本专利技术的目的是提供一种动态环境下平流层飞艇航线规划方法，以规划一条当前位置点到任务点之间距离短、可跟踪性强、能量消耗少的航线，并考虑外界环境动态变化的情况，在外界环境变化时能够实现航线的重规划。

2、为实现上述目的，本专利技术提供了一种动态环境下平流层飞艇航线规划方法，包括以下步骤：

3、s1建立平流层飞艇在考虑外界环境约束的航迹规划模型</p>

4、基于风场预估将飞行环境网格化，定义平流层飞艇飞行规则，结合飞行距离和外界风场建立优化目标函数；

5、优化目标函数为min f＝minαd+β∑i∈avi，其中d为飞行起始点到终点的路径长度，vi为飞行经过的第i个网格对应的风速，a为飞行路径经过的所有网格序号的集合，α和β代表权重系数；

6、s2结合a*算法和改进的快速搜索随机树rrt算法设计启发函数优化飞艇的飞行航线

7、启发函数为h(n)＝w1hd+w2hw，其中hd代表当前点到终止节点的路径长度，hw代表当前点到终止节点的对应的风速叠加量，两者均为归一化后的值，w1和w2分别代表两者对应的权重系数；

8、s3当平流层飞艇沿规划的航线飞行过程中监测到障碍区域发生变化时，利用混合优化算法进行航线在线重规划，使其成功避开障碍区域。

9、优选的，步骤s2中改进的快速搜索随机树rrt算法为将传统的用于连续优化问题的rrt算法改进为网格化飞行规划下的离散rrt算法，将连续空间内的随机生长方向和步长改为仅可向网格中心生长。

10、优选的，步骤s3具体为：

11、s31设计代价值累计函数f(n)＝g(n)+h(n)，g(n)代表从起始节点到当前节点的累计代价值；

12、s32初始化rrt算法的节点tc为航迹规划起始点t0，若当前节点与终止点之间的距离||tc-td||＞a，a为网格边长，则执行步骤s33，否则终止迭代；

13、s33在非强风区域和障碍区域中随机生成一个随机点tr，计算tr和当前所有节点之间的f(n)，选择得到的所有f(n)中最小的点作为ts；

14、s34列出ts周围所有可行的备用路径点，计算ts和所有可行的备用路径点之间的f(n)，选择得到的所有f(n)中最小的点作为新的节点tc，直到满足||tc-td||≤a；

15、s35若障碍区域或强风区域发生变化，则判断原航路点是否落在非可行区域内，若否，无需重规划；若是，则以当前航路点为初始节点，利用改进的rrt算法步骤s32-s34进行重规划。

16、本专利技术的有益效果：

17、本专利技术采用上述一种动态环境下平流层飞艇航线规划方法，考虑了平流层飞艇可操控性和能量消耗与外界风场环境的耦合关系，所规划的航迹更符合实际飞行需求；改进了传统航迹规划算法，解决了优化计算效率和全局最优性不平衡的问题，具有更好的优化性能；考虑了外界环境动态变化的情况，能够完成航线在线重规划，具有更高的实际适用性。

18、下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。

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【技术保护点】

1.一种动态环境下平流层飞艇航线规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种动态环境下平流层飞艇航线规划方法，其特征在于：步骤S2中改进的快速搜索随机树RRT算法为将传统的用于连续优化问题的RRT算法改进为网格化飞行规划下的离散RRT算法，将连续空间内的随机生长方向和步长改为仅可向网格中心生长。

3.根据权利要求2所述的一种动态环境下平流层飞艇航线规划方法，其特征在于，步骤S3具体为：

【技术特征摘要】

1.一种动态环境下平流层飞艇航线规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种动态环境下平流层飞艇航线规划方法，其特征在于：步骤s2中改进的快速搜索随机树rrt算法为将传统的用于连续优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：江海鹏，
申请(专利权)人：临舟宁波科技有限公司，
类型：发明
国别省市：

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