[發(fā)明專利]一種基于理想流體數(shù)值計(jì)算的無人機(jī)三維航路規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410639743.3
• 申請日: 2014-11-13
• 公開（公告）號(hào): CN104390640A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁宵;孟光磊;田豐;陳國棟
• 申請（專利權(quán)）人: 沈陽航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C21/00
• 分類號(hào): G01C21/00
• 代理公司: 沈陽火炬專利事務(wù)所(普通合伙) 21228
• 代理人: 王欣

1.一種基于理想流體數(shù)值計(jì)算的無人機(jī)三維航路規(guī)劃方法，其特征在于：首先根據(jù)無人機(jī)約束對地形中的障礙進(jìn)行預(yù)處理，之后計(jì)算出理想情況下沿X軸來流方向，位于原點(diǎn)的圓球障礙繞避障航路，最后利用疊加原理計(jì)算多障礙同時(shí)存在時(shí)的復(fù)雜地形無人機(jī)航路；具體步驟如下：

步驟一：確定無人機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑，并與地形中的所有障礙半徑進(jìn)行比較，根據(jù)轉(zhuǎn)彎半徑和障礙半徑的大小關(guān)系，以及障礙間的相對位置，進(jìn)行地形的預(yù)處理；

步驟二：根據(jù)定常忽略粘性的不可壓縮理想流體，沿空間直角坐標(biāo)系X軸來流方向作用于位于原點(diǎn)的圓球障礙繞流問題的解析解，在該直角坐標(biāo)系下求得流速沿X、Y和Z軸的分量；

對于空間中任意一點(diǎn)P，極坐標(biāo)系建立在點(diǎn)P與X軸所構(gòu)成的平面上；空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)與平面二維極坐標(biāo)系的極點(diǎn)重合，為點(diǎn)O，空間直角坐標(biāo)系的X軸與平面二維極坐標(biāo)系的極軸X′軸重合；在該極坐標(biāo)系下流體的速度勢為

OP與極軸之間的夾角為θ角，點(diǎn)P與點(diǎn)O的距離為|OP|＝r，V_∞為流體的流速，a為圓球障礙的半徑，在空間直角坐標(biāo)系下，P的坐標(biāo)為(x，y，z)，則有用u、v和w代表三維情況下流速沿空間直角坐標(biāo)系X、Y和Z軸的分量，則

步驟三：計(jì)算每個(gè)障礙的加權(quán)系數(shù)；

用m代表地形中障礙的數(shù)量，假設(shè)第i個(gè)障礙的半徑為a_i，其球心位置為定義距離函數(shù)b_i如下：

bi=(x2-bxi2)2+(y2-byi2)2+(z2-bzi2)2-ai]]>其中i＝1...m

(x,y,z)表示步驟二中P點(diǎn)的坐標(biāo)，并定義插值函數(shù)α如下

αi=Πj≠ibjbi+bj]]>其中i＝1...m；

步驟四：結(jié)合步驟二和步驟三的方程組，對每個(gè)障礙進(jìn)行方程組求解并最后求和，得到無人機(jī)三維飛行航路。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于理想流體數(shù)值計(jì)算的無人機(jī)三維航路規(guī)劃方法，其特征在于：所述步驟1的具體方法如下：

1)、障礙物重疊：計(jì)算與兩個(gè)障礙同時(shí)內(nèi)切的虛擬障礙，將虛擬障礙視為單個(gè)障礙進(jìn)行避障，令O_i和O_i+1分別代表第i個(gè)和第i+1個(gè)障礙的球心，R_i和R_i+1分別表示O_i和O_i+1的半徑，在線段O_iO_i+1上找到一點(diǎn)O_new，以該點(diǎn)為圓心，做出與圓O_i和O_i+1同時(shí)相內(nèi)切的圓O_new，其中O_new必須滿足下式條件

|O_newO_i|+R_i＝|O_newO_i+1|+R_i+1；

2)、單個(gè)障礙：

2.1目標(biāo)點(diǎn)和起始點(diǎn)的連線沒有穿過障礙的中心，則將障礙的半徑進(jìn)行虛擬擴(kuò)張，使障礙物半徑大于等于無人機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑，根據(jù)不同的安全距離，虛擬障礙物半徑的計(jì)算公式為：虛擬障礙物半徑＝無人機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑+安全距離；

2.2目標(biāo)點(diǎn)和起始點(diǎn)的連線穿過了障礙的中心，則預(yù)處理分為“真實(shí)障礙半徑比最小轉(zhuǎn)彎半徑小”和“真實(shí)障礙半徑比最小轉(zhuǎn)彎半徑大”兩種情況；

2.2.1當(dāng)“真實(shí)障礙半徑比最小轉(zhuǎn)彎半徑小”時(shí)，令圓O₁為真實(shí)障礙，將目標(biāo)點(diǎn)和起始點(diǎn)的連線作為x軸，則x軸穿過了O₁，設(shè)無人機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑為R₀，過真實(shí)障礙O₁做垂直于x軸的直線交O₁與A點(diǎn)，在AO₁的延長線上找到一點(diǎn)O₂，使得AO₂＝R₀；那么O₂和R₀所確定的虛線圓O₂，其為虛擬障礙，并且O₁比O₂的半徑小，根據(jù)O₂的設(shè)置方法，可知：O₁是O₂的內(nèi)切圓，切點(diǎn)為A；在航路規(guī)劃時(shí)，將O₂作為障礙進(jìn)行躲避；

2.2.2當(dāng)“真實(shí)障礙的半徑比最小轉(zhuǎn)彎半徑大”時(shí)，此時(shí)真實(shí)障礙的半徑比無人機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑大，只要在AO₁的延長線上找到一點(diǎn)O₂，以O(shè)₂為圓心作圓，使得O₁O₂＝r₀，r₀是設(shè)定的一個(gè)小量，則O₂的半徑大于O₁，而O₁的半徑又大于最小轉(zhuǎn)彎半徑，并且x軸不會(huì)穿過O₂。