[發明專利]一種基于空域網格化的無人機動態地理圍欄規劃方法

有效

• 申請號: 202010909173.0
• 申請日: 2020-09-02
• 公開（公告）號: CN112116830B
• 公開（公告）日: 2021-09-24
• 發明（設計）人: 湯新民;顧俊偉;鄭鵬程;李騰
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G08G5/00
• 分類號: G08G5/00;G06K9/62;G06F17/18
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 徐紅梅

1.一種基于低空空域網格化的無人機動態地理圍欄規劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、考慮無人機實際航跡隨機性特性，對無人機飛行計劃進行柔性航跡預測；

S2、結合無人機柔性航跡預測結果，進行動態地理圍欄縱向長度尺寸設計；

S3、對目標空域范圍內的歷史航跡數據進行預處理，并對空域進行均勻網格化處理與編號；

S4、定義影響低空空域復雜性的關鍵指標，采用核K-均值聚類方法對空域網格進行聚類分析實現低空空域復雜性分級度量結果；

S5、結合低空空域網格復雜度，進行動態地理圍欄橫向范圍規劃；

具體為：

S51、求解目標預測航跡點；

基于S1中提出的無人機柔性航跡預測技術，預測無人機目標的航跡點；

S52、求解基本網格空域集合；

兩個航跡點的坐標P_start(x₀,y₀)和P_end(x₁,y₁)，根據直線方程求出兩點連線的表達式y＝rx+b；首先通過計算Δx＝|x₀-x₁|和Δy＝|y₀-y₁|來確定移動的主方向：

如果ΔxΔy，說明x軸的最大差值大于y軸的最大差值，x軸方向為移動的主方向；如果ΔxΔy，說明y軸的最大差值大于x軸的最大差值，y軸方向為移動的主方向；將起始點坐標分別對網格邊長向下取整，即令其中a是網格邊長；

當x軸為移動的主方向時，設當前點為P′_start(x′₀,y′₀)，其中x′₀＝ai，y′₀＝aj，當x＝x′₀+a時，根據直線公式算出y＝k(x′₀+a)+b，對y以網格邊長向下取整得，令σ＝y′-y′₀，則：

計算步后，當x＝x′₁，即終點所在網格時，求出起點和終點連線所在的外包網格空域集合G_base，當y軸為移動的主方向時同理；

S53、滑動鄰域法求解擴展空域；

設S為初始解，即基本空域集合，鄰域的個數為M，N_l表示第l個鄰域；在進行鄰域搜索時，只要當前鄰域搜索結束后優化了S，即表現為效益函數增大時，則將當前鄰域加入最優解，并進行下一個鄰域結構進行運算，否則停止運算，輸出當前解；

根據取整法得到航跡點連線穿過的網格空域集合G_base，以G_base作為初始解S；將初始解向兩側依次平移M次，得到M個遞增的鄰域，作為鄰域結構集，分別記為N₁,N₂,…,N_M；

鄰域結構間的搜索順序可以通過改變鄰域結構之間的次序，一般來說會按照鄰域的大小順序進行排序，從小到大，即：N₁(x)≤N₂(x)≤N₃(x)≤…≤N_max(x)；根據實際情況，鄰域結構之間的次序為以初始解為基準向兩側依次交叉排列；

S54、定義效益函數F_obj表示某規劃階段所分配的網格空域的最大效益，其中該空域集合由基本空域和擴展空域兩部分組成，分別為航跡中心線所在網格空域和與其相鄰的部分網格空域；用f_dis表示增加當前擴展空域帶來的自由度效益，f_c表示該網格空域產生的復雜性負效益，g_ij為決策變量，表示當增加某網格帶來的總效益為正時，則將其劃分為擴展空域，效益函數表達式為：

其中，由于目標為航線運行規劃，考慮到距離航跡點連線過于遠的網格對于地理圍欄的規劃沒有實用意義，因此趨向于在預測航跡附近尋找復雜性等級較低的連續網格空域集合，即采用當前空域網格與預測航跡所在直線的距離的倒數來表示自由度效益：

其中，μ為自由度可調參數，d為當前空域網格與預測航跡所在直線的距離，s為復雜度值，λ用來保證規劃空域網格的時候，距離航線太遠的網格即使它復雜度很低也不把它劃進規劃隊列，λ的值根據實際情況設置，σ根據實際需求用來調節復雜度帶來負效益的影響，σ的值根據實際情況設置；

由于自由度效益函數為雙曲線中的第一象限中的單支，因此隨著距離d的增大，自由度效益f_dis會逐漸減小，設置μ為自由度可調參數，當d大于μ時，自由度效益小于1，同時，由于復雜度值由經過標準化后的指標數據加權平均值表示，考慮所有指標對復雜性的影響程度相同，則復雜度值的取值范圍為s∈[0,1]，令λ＝1.5μ,σ＝1，則f_c∈[1,1.5μ+1]，當d大于μ時，效益函數F_obj≤0；

模型約束條件為：

決策變量為0-1變量，表示當前網格是否在最優解集中，當g_ij為1時，表示最優解集包含當前網格，當g_ij為0時，則不包括當前網格；

g_ij＝0,1；

作為無人機完成飛行任務的前提條件，必須有一個基本的網格空域滿足當前飛行任務的需要，在模型中則要求起始點和終點連線所在網格必須為最優解集中；

g_ij＝1(若g_ij∈G_base)；

其中，G_base是起點和終點連線所在的外包網格空域集合；

可行域范圍約束，若起始點和終點所在網格分別為和i₀和j₀表示起始點所在網格編號的下標，i₁和j₁表示終點所在網格編號的下標，i和j表示可行域網格編號的下標；則當起點和終點所在直線斜率r0時：

斜率r0時：

斜率r＝0時：

i₀≤i≤i₁,i,j∈N；

斜率r不存在時：

j₀≤j≤j₁,i,j∈N；

連通性約束，已知起點和終點連線的直線方程為Ax+By+C＝0，其中A,B不同時為0，則當Ai+Bj+C≤0時，即網格位于連線下方時：

當Ai+Bj+C≥0時，即網格位于連線下方時：

其中，g_i,j+1是下標為(i,j+1)的空域網格對應的決策變量，g_i+1,j是下標為(i+1,j)的空域網格對應的決策變量，g_i-1,j是下標為(i-1,j)的空域網格對應的決策變量，g_i,j-1是下標為(i,j-1)的空域網格對應的決策變量；

S55、利用S4提出的空域復雜分級度量方法和S54提出的效益函數，計算基本空域網格的效益函數是否為正，若為正，則表示將基本空域網格集合向兩側依次滑動，若為負，則輸出所有擴展空域網格集合。