[發明專利]一種基于擾動流體動態系統的無人機三維航路規劃方法

有效

• 申請號: 201310722762.8
• 申請日: 2013-12-24
• 公開（公告）號: CN103713642A
• 公開（公告）日: 2014-04-09
• 發明（設計）人: 王宏倫;呂文濤;劉暢;姚鵬
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 趙文穎

技術領域

本發明涉及一種基于擾動流體動態系統的無人機三維航路規劃方法，屬于無人機導航制導與控制技術領域。

背景技術

無人機也稱無人機航空器或遙控駕駛航空器，是一種由無線電遙控設備控制，或由預編程序操縱的非載人飛行器，擁有眾多有人駕駛飛機所不具有的優點，具有廣闊的應用前景。

偵察、監視、毀傷評估、對地攻擊是無人機在軍事領域的主要任務。此外，無人機還可擔負航空遙感、資源探測、通信中繼、災害評估等任務，在民用領域發揮重大作用。隨著無人機應用領域的不斷擴大，要求提高無人機的自主飛行能力的呼聲越來越高。

無人機航路規劃是指為無人機尋找從起始點到目標點的安全可飛航路，它是影響無人機使用和飛行安全的關鍵技術，一直受到各方面的高度重視。隨著無人機的使用空域從中、高空不斷向低空、甚至超低空拓展，地形的影響將成為航路規劃需要考慮的關鍵因素，此時傳統的二維航路規劃方法已無法滿足需求，特別是對于執行低空突防任務的無人機，要實現地形跟隨、地形回避和威脅回避(TF/TA²)，必須得到三維空間的突防航路。

由于三維航路規劃能夠充分發揮無人機的機動飛行能力，在復雜地形條件下的低空突防、低空偵察或災害感知等軍、民用領域具有重要作用，許多學者進行了大量的研究。主要包括基于圖形的規劃方法、智能計算方法、人工勢場法等。基于圖形的規劃方法將航路規劃問題轉化為一個網絡圖搜索問題，但規劃出的航路可能帶有尖角，不適合無人機直接飛行。智能計算方法如蟻群算法、進化算法和粒子群算法等，具有很強的發現較好解的能力，不容易陷入局部最優，但問題規模過大時經常導致算法收斂速度過慢或者得到的解不準確，此外還需要調整許多參數。人工勢場法具有原理簡單、計算量小的特點，但是在進行全局規劃時容易產生局部極小問題。作為對傳統人工勢場法的一種改進，S?Waydo等人提出了流函數法，該方法利用流體力學概念建立勢場區域，能夠很好地避免局部極小問題，同時具有光滑的航路特性和較快的計算速度。但是流函數的概念只存在于二維流場，無法用于三維航路規劃，并且根據現有研究成果來看，障礙物只能為圓形障礙或其組合。

流函數法的基本思想是借鑒理想有勢流體的繞流現象來實現對障礙物的規避，在流體力學中，繞流問題是通過控制方程和邊界條件來描述的，對于理想有勢流體，其控制方程為：

▽²Φ＝0???(1)

邊界條件是：

在障礙物表面上：???(2)

在無窮遠處：▽Φ＝u_∞???(3)

式中Φ表示流場的速度勢，n表示障礙物表面上的單位外法向量，u_∞表示無窮遠處流場流速的給定值。控制方程(1)是一個Laplace方程，其解Φ作為調和函數滿足極值原理，其極值點只能出現在邊界上，因此可以避免產生局部極小問題；邊界條件(2)體現了障礙物的不可穿透條件，即在障礙物表面上流速沿法向量方向的分量為0，只具有沿切線方向的分量；邊界條件(3)反映了障礙物對原始理想流場的擾動范圍，即在無窮遠處擾動趨于0。通過求解由以上三式構成的定解問題就可以得到整個規劃區域的勢場，對速度勢求導即得流場各處的流場流速u，對流速積分所得流體的流線就是為無人機規劃出的航路。盡管控制方程(1)的線性齊次性給問題的求解提供了便利，但是當障礙物形狀較為復雜時，邊界條件難于處理，往往無法得到方程的解析解，而如果通過數值方法求解不僅計算量大，而且前期的預處理繁瑣。

發明內容

本發明的目的是為了解決上述問題，提出一種適用于圓球、圓柱、圓錐和平行六面體等凸形障礙及其組合情形下的三維航路規劃方法，通過將復雜地形中的山峰、雷達和地面防空火力等抽象為圓柱、圓錐、圓球、平行六面體等典型障礙形狀及其組合體，從而將包含敵方地面防空火力的復雜地形環境下無人機低空飛行三維航路規劃問題抽象為流體避障中的三維流線求解問題。

一種基于擾動流體動態系統的無人機三維航路規劃方法，具體包括如下步驟：

步驟一：將無人機飛行區域中的地形障礙、敵方雷達以及地面火力威脅用圓柱、圓錐、圓球和平行六面體等規則幾何體進行等效，得到這些幾何體障礙物的位置和表面方程；

步驟二：在目標點處設置點匯，得到無障礙物擾動情況下的流場流速；

步驟三：在已知障礙物位置和障礙物表面方程的條件下，根據障礙物的不可穿透條件，構造由于障礙物擾動后的流場流速；

步驟四：從起始點處對流場流速進行積分，得到從起始點到目標點的避障流線，將此流線作為無人機的飛行航路；