[發明專利]一種顧及DSM的應急任務的無人機集群航跡規劃方法

在審

• 申請號: 202011138146.4
• 申請日: 2020-10-22
• 公開（公告）號: CN112414405A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 孟慶祥;向楓;鐘源
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G06N3/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 羅飛

1.一種顧及DSM的應急任務的無人機集群航跡規劃方法，其特征在于，包括：

S1：獲取應急任務的待觀測區的相關參數，其中待觀測區的相關參數包括位置參數、范圍參數和時間參數；

S2：根據待觀測區的相關參數獲取待觀測區的衛星影像、數字表面模型和地圖，并運用地理信息技術構建待觀測區環境模型；

S3：構建多無人機任務分配模型，通過基于高斯線性微分遞減量子粒子群算法求解，獲取各個無人機的觀測子任務；

S4：以各個無人機的觀測子任務和其所屬的環境模型為約束，構建面向應急任務的無人機航跡規劃模，通過基于高斯天牛須量子粒子群算法求解，得到各個無人機的觀測航跡；

S5：對求解得到的各個無人機的觀測航跡進行平滑處理，得到航跡規劃結果。

2.如權利要求1所述的無人機集群航跡規劃方法，其特征在于，步驟S2包括：

S201：通過衛星影像、數字表面模型和GPS獲取待觀測區的已有環境信息；

S202：采用地理信息技術將任務區域分割成幾行幾列的立體網格地圖；

S203：根據分割的網格地圖，對障礙物進行建模；

S204：定義可行區域。

3.如權利要求2所述的無人機集群航跡規劃方法，其特征在于，步驟S203包括：

S2031：在分割的網格地圖上，確定障礙物地理位置信息；

S2032：確定障礙的外形輪廓；

S2033：將凹形障礙物抽象成非凹形障礙物。

4.如權利要1所述的無人機集群航跡規劃方法，其特征在于，步驟S3中構建的多無人機任務分配模型為：

maxJ＝max(μ₁J₃-μ₂J₂-μ₃J₁)

其中，μ₁,μ₂,μ₃為代價權重因子，分別用以表述航跡、時間和收益的側重性，J₁表示無人機目標分配執行任務時間代價最小目標函數，根據完成所有任務的總時間計算得到，J₂表示多無人機總航程代價函數，根據航跡長度計算得到，J₃表示執行任務效益函數，根據無人機從節點飛行到目標任務后的成功率計算得到。

5.如權利要4所述的無人機集群航跡規劃方法，其特征在于，無人機目標分配執行任務時間代價最小目標函數J₁如下：

其中，t_j為完成第j個目標的時間，c_j為任務的加權系數，t_f為完成所有任務的總時間；

多無人機總航程代價函數J₂為：

其中，表示航跡長度，表示決策變量，取值0或1，用以決定無人機與目標之間的對應關系；

執行任務效益函數J₃由成功執行任務效益決定：

式中，為決策變量，當無人機v從點i飛行到j點執行任務時否則為編號v的無人機從節點飛行到目標任務后的成功率，與任務間有無障礙物、執行任務相對距離相關。

6.如權利要1所述的無人機集群航跡規劃方法，其特征在于，步驟S4中構建的面向應急任務的無人機航跡規劃模型為：

{(x，y，z)|0≤x≤maxX，0≤y≤maxY，0≤z≤maxZ}

(x，y，z)為一個連續三維環境空間的某點坐標，maxX、maxY和maxZ分別為對應方向坐標的最大值；

無人機航跡規劃模型的約束包括：

(1)油耗約束

f_W＝ε·L

式中，f_W為耗油代價f_W，L為飛行路徑長度，ε為系數比；

(2)高度約束

其中，ΔH表示根據環境及任務分析所得到的最優飛行高度，h_i表示無人機到地面的高度，k_h表示約束值；

(3)航跡長度約束

其中，f_L表示航跡長度，L_i表示三維航跡長度；

(4)最小轉彎半徑約束

其中，數k_n為約束值，R為無人機轉彎半徑，R_min為最小轉彎半徑；

由上述約束條件分析可得無人機三維路徑目標函數為：

F₂＝λ₁f_w+λ₂f_h+λ₃f_L+λ₄f_r

式中λ₁，λ₂，λ₃，λ₄分別是油耗約束、高度約束、航跡長度約束和最小轉彎半徑約束的權重系數。