[發明專利]基于航跡的無人機融合空域運行方法

在審

• 申請號: 201910595212.1
• 申請日: 2019-07-03
• 公開（公告）號: CN112258896A
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發明（設計）人: 韓松臣;樊凱;廖文靜
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G08G5/00
• 分類號: G08G5/00;G06F30/20;G06F111/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種在未來基于航跡的運行規則下使無人機融入空域與其它飛行器共同飛行的方法，尤其是指一種基于航跡的運行規則下戰略4D航跡規劃的方法，該方法包括：對于無人機的離散化狀態方程的建立，對于位置約束，速度約束，加速度約束，障礙約束，以及對于4D航跡規劃中的關鍵因素：航路點約束的建立，通過選取與能量有關的目標函數，建立混合整數規劃模型。該方法建模思想明確，且便于實際運用，在實際運用中可采用多種商業求解器進行求解。

技術領域

本發明提供一種在未來基于航跡的運行規則下，使無人機能夠融入空域與其它飛行器共同運行的方法，該方法針對未來基于航跡的運行規則下，考慮無人機飛行狀態約束、空域中障礙物約束、以及航路點約束的改進混合整數規劃的戰略4D航跡規劃，若無人機能夠遵循該4D航跡進行飛行，那么可以判斷該無人機可以融入空域，本發明屬于系統科學領域。

背景技術

在未來的空中交通管理(ATM)將依賴基于航跡的運行（TBO）模式進行運作，將通過減少管制員的工作量來增加空中交通容量。這通過將更多的戰術沖突探測與解脫任務轉移到戰略規劃階段來實現。TBO的實現需要機載飛行管理系統（FMS）和地面航跡規劃系統交互協作，以確保航空器能安全準時地到達指定航路點，因此進行合適的4D航跡規劃是TBO成功運行的基礎，未來無人機進入空域飛行，必須滿足TBO的飛行規則，即未來只有滿足4D航跡運行要求的無人機可以融入空域。4D航跡規劃需要通過綜合考慮航空器運動學模型、性能模型、氣象模型、飛行計劃、可飛水平路徑、計劃到達時間等要素來規劃最優飛行航跡。4D航跡上位置、時間和航向等屬性發生顯著變化的點稱之為航路點，而航路點信息是構建4D航跡的基礎。通過綜合考慮航空器運動學模型、性能模型、氣象無人機的飛行任務示意圖如圖1-3所示。未來無人機融入空域需要能夠跟隨兩種不同情況飛行任務的4D航跡對無人機的飛行性能有了更高的要求。

發明內容

我們采用了一種混合整數規劃的方法，用來規劃TBO規則下的4D航跡。該方法通過限定無人機的4D航路點信息、飛行狀態模型、空域中的禁飛區以及能量消耗，給出了能夠融入空域進行飛行的無人機的4D飛行航跡，能夠跟隨此4D航跡的無人機即為未來可以進入空域進行飛行的無人機。

附圖說明

圖1為無人機在TBO下執行飛行任務示意圖(垂直方向)。

圖2為無人機在TBO下執行起點與終點不一樣的飛行任務水平示意圖。

圖3為無人機在TBO下執行起點與終點一樣的飛行任務水平示意圖。

圖4為 H取值為4和6時的速度近似多邊形。

圖5為速度三角進行3D速度約束示意圖。

圖6為速度約束的3D表示。

具體實施方式

對于本文航跡規劃問題的無人機，我們可以表示其狀態方程如下：

上式可以改寫為：

其中

該式子可以將其離散化為下列形式：

其中是初始狀態，是控制輸入，且

循環使用離散化之后的式子，我們可以得到：

假設我們解決一個有N個時間步的問題，則我們可以得到一組目標約束：

在沒有其他約束的情況下，上式的解是一組N個分段常數控制在N個時間步內將該系統引導到最終狀態。