[發(fā)明專利]一種多約束條件下智能飛行器航跡快速規(guī)劃方法

有效

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• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111024092B
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發(fā)明（設計）人: 張則強;謝夢柯;蔣晉;劉思璐;許培玉;陳鳳;程文明
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 成都三誠知識產權代理事務所(普通合伙) 51251
• 代理人: 成實

本發(fā)明公開了一種多約束條件下智能飛行器航跡快速規(guī)劃方法，屬于飛行器路徑規(guī)劃技術領域，包括以下步驟：綜合分析飛行器航跡規(guī)劃特點，建立多目標多約束條件的數學優(yōu)化模型；獲取實例信息；運用啟發(fā)式鄰域搜索算法對實例進行求解，得到多種可行路徑方案并對其進行表征，本發(fā)明針對飛行器在不同實際飛行環(huán)境下有效航跡快速規(guī)劃問題，建立以最小化路徑和最小化校正次數為目標函數，包含路徑平衡約束，路徑唯一性約束、遍歷路徑回路約束等多目標多約束的數學優(yōu)化模型，同時提出一種啟發(fā)式鄰域搜索算法，該算法結合模擬退火思想尋找局部最優(yōu)節(jié)點作為飛行器下一遍歷節(jié)點，并規(guī)定相應搜索步長，以此提高算法的收斂性能，通過本發(fā)明可以快速獲得較優(yōu)的航跡路線。

技術領域

本發(fā)明屬于飛行器航跡規(guī)劃與控制領域，具體涉及一種多約束條件下智能飛行器航跡快速規(guī)劃方法。

背景技術

1917年英國人發(fā)明了第一臺飛行器(Aerial Vehicle)以來，飛行器技術已經成為軍事領域和民用領域中非常重要的發(fā)展項目。在軍事領域中飛行器可以完美的完成對地形和敵人的偵察和對地攻擊等在內的很多軍事任務。在民用領域中飛行器在測繪、資源勘探和空中拍攝等方面也發(fā)揮了巨大的作用。隨著計算機、信息及科學技術的快速發(fā)展，飛行器的性能、結果、操縱變得越來越復雜。而飛行器航跡規(guī)劃是實現飛行器自主導航的一項關鍵技術，而且無論在理論上還是實際應用上都具有重要的意義，基于以上種種原因就需要尋求一種有效的航跡規(guī)劃方法，使得飛行器不僅具有最短的飛行距離，而且能定位精確的完成任務，這也成為了當前迫切的要求。

航跡規(guī)劃是路徑規(guī)劃的一種，但由于飛行器的飛行過程復雜性、執(zhí)行任務時環(huán)境復雜性等，造成了航跡規(guī)劃要比一般的路徑規(guī)劃更加困難復雜。一般飛行器航跡規(guī)劃(Route Planning)就是為飛行器規(guī)劃出一條或者多條滿足要求的飛行軌跡。如現有專利(一種無人機航跡規(guī)劃裝置及方法，專利號CN201910556400.3；一種無人飛行器的航跡規(guī)劃，專利號CN201810519664.7；一種低空飛行無人機的實時航跡規(guī)劃，專利號CN201810519645.4)等等，但現有專利航跡規(guī)劃方法中，對于飛行器在飛行過程中所遇到的各類實際環(huán)境并未作過多約束。而在實際應用中，由于飛行器的系統(tǒng)結構限制與復雜的環(huán)境影響和約束條件眾多，使得在復雜環(huán)境下航跡快速規(guī)劃成為飛行器控制的一個重要課題。為了使飛行器精確的在規(guī)定航線上飛行，避免由定位誤差而造成飛行任務失敗。因此，在飛行過程中需要考慮環(huán)境因素，擇優(yōu)選出滿足水平誤差約束、垂直誤差約束、有效路徑約束和飛行器轉彎半徑約束的空間節(jié)點，為使這些空間節(jié)點形成一條可行回路作為飛行器的有效航跡規(guī)劃，本發(fā)明提供一種飛行器在系統(tǒng)定位精度限制下的航跡快速規(guī)劃方法。

發(fā)明內容

針對背景技術中存在的問題，為了解決飛行器在實際飛行過程中遇到的各種情形，本發(fā)明提出了一種多約束條件下智能飛行器航跡快速規(guī)劃方法，本方法具體如下：

一種多約束條件下智能飛行器航跡快速規(guī)劃方法，具體包括以下步驟：

S1、分析飛行器航跡規(guī)劃特點，建立多目標函數多約束條件的數學優(yōu)化模型；

根據飛行器航跡規(guī)劃特點，忽略飛行器的大小將飛行器簡化為質點，將飛行器節(jié)點間飛行路徑視為歐式距離，建立數學優(yōu)化模型的目標函數如下：

最短路徑：

經過最少校正點：

其中，N為飛行區(qū)域內校正點的節(jié)點集合，i、j為節(jié)點集合N中第i、j個節(jié)點的代號，d_ij為飛行器從節(jié)點i到節(jié)點j的距離；x_ij為飛行器是否從節(jié)點i飛行到節(jié)點j的二進制變量，如果飛行器從節(jié)點i飛行到節(jié)點j，則x_ij＝1，否則x_ij＝0；

該目標函數要滿足以下約束條件：

1)路徑平衡約束：這限制飛行器僅進行一次的飛入和飛出，即飛行器遍歷該節(jié)點后就不會再遍歷該節(jié)點，路徑平衡約束方程為：