[發明專利]一種飛行器繞多禁飛區路徑規劃與決策方法

有效

• 申請號: 202010941572.5
• 申請日: 2020-09-09
• 公開（公告）號: CN112162569B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 李惠峰;張源;張冉;師鵬
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/12
• 分類號: G05D1/12
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

本發明提供一種飛行器繞多禁飛區路徑規劃與決策方法，其步驟如下：一、建立有向圖模型：二、遍歷從起點到終點的所有路徑；三、規劃路徑并設計路徑評價指標；四、制定路徑決策方案；通過以上步驟，可以基于圖論，構建有向圖模型，實現飛行器繞多禁飛區的路徑規劃與決策，解決了目前存在的重制導、輕規劃的問題，并且能夠為飛行器制導提供多個可行方案。本發明所述方法科學，工藝性好，具有廣闊推廣應用價值。

技術領域

本發明是一種針對多禁飛區環境，基于圖論建立環境模型，對可行路徑進行規劃，并根據路徑對飛行器機動能力的要求進行評價，最終制定路徑決策方案的方法，屬于航空航天；制導、導航與控制技術；路徑決策規劃領域。

背景技術

路徑規劃最初廣泛用于移動機器人的研究中，隨著無人設備應用領域的不斷擴大，如在海洋科學，工業現場和軍事作戰等實際應用中，路徑規劃的相關研究逐漸發展應用于無人車、無人艇以及各類飛行器中，成為各個領域內的研究熱點與難點問題之一。而飛行器飛行必須滿足復雜的約束條件，其中包括傳統的熱流率、動壓、過載約束和終端約束，也包括自然、軍事等因素造成的復雜禁飛區約束。飛行器的禁飛區是一種路徑約束，如果禁飛區的數量越多或者模型比較復雜，那么飛行器在路徑優化的路徑約束就越多，優化的解算難度就越大。

現今研究禁飛區突防的成果較少，且存在重制導、輕規劃的問題。文獻中大部分的規避方法均是基于標稱軌跡，其處理思路主要在制導中考慮規避方法，卻沒有站在上層考慮整體規劃問題，其規避問題也局限于標稱軌跡附近的禁飛區規避，而缺乏上層規劃，因此總體性能局限，可擴展性差。并且飛行器路徑規劃的研究正朝著智能算法的改進與創新、自主避障與多傳感器信息融合技術相結合、多種算法組合求解的方向發展。然而，現有的路徑規劃、路徑搜索及優化方法，如A*算法、粒子群算法等，不適用于高速難控的飛行器，無法反映控制力的大小，且只能求出一個最優解/局部最優解，無法提供備選方案，難以制定完備合理的路徑決策方案。

從上所述，本發明以路徑決策為出發點，基于圖論的方法，建立數學模型，對所有路徑進行遍歷，并設計評價指標進行排序，最終制定路徑決策方案，該方法具有一定獨創性。

發明內容

(一)本發明的目的

本發明的目的是為了解決上述問題，提出一種飛行器繞多禁飛區路徑規劃與決策方法，旨在建立飛行器繞多禁飛區的數學模型方法，并獲得有效且合理的繞飛路徑決策方案。

(二)技術方案

本發明一種飛行器繞多禁飛區路徑規劃與決策方法，其具體步驟如下：

步驟一、建立有向圖模型：

首先合并重疊禁飛區；其次，在每個禁飛區上下設定虛擬路徑點；然后，選擇可以串行依次繞過的禁飛區放入一個列表中，則所有可能的串行線就會形成一個多維列表；每一個列表中障礙上下的節點與起點，目標點之間將會形成上下兩個包絡，且相鄰兩障礙上下的節點之間可以交叉穿行，連接可行路徑后形成每條串行線的所有路徑；建立有向圖模型；最后，給所有的有向邊加上權重；

步驟二、遍歷從起點到終點的所有路徑；

基于步驟一建立的有向圖模型，使用深度優先遍歷方法對從起點到終點的所有路徑進行遍歷，得到飛行器繞飛路徑的所有可能；

步驟三、規劃路徑并設計路徑評價指標；

使用一種最小控制力路徑點跟蹤制導方法，對每一條路徑設計最優導引律，得到能夠反映對飛行器機動能力要求的路徑規劃，并以能量消耗作為路徑的評價指標；

步驟四、制定路徑決策方案；

根據各個路徑評價指標對路徑進行排序；排序后，對于每一條路徑，針對每一個禁飛區，從上方繞過記作0，從下方繞過記為1，合并重復路徑后得到q個繞飛路徑方案；假設需要繞飛n個禁飛區，則最終可以輸出一個q×n維0/1矩陣；最后，根據需求提供前f個方案，完成決策。