[發明專利]一種基于速度場的無人機軌跡規劃方法

有效

• 申請號: 202110289879.6
• 申請日: 2021-03-15
• 公開（公告）號: CN113093787B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 陳康;符文星;張通;常曉飛;黃漢橋;許濤;張曉峰;程昊宇;付斌
• 申請（專利權）人: 西北工業大學;西安因諾航空科技有限公司
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種基于速度場的無人機軌跡規劃方法，所得初始路徑是在A?star算法的基礎上，通過構造距離矩陣、速度矩陣，以及設計速度函數、起終點約束最終實現的。A?Star算法是一種靜態路網中求解最短路最有效的直接搜索方法，該算法綜合了最良優先搜索和Dijkstra算法的優點。有益效果如下：兼具A?Star算法的優點，而且在進行啟發式搜索提高算法效率的同時，可以保證找到一條最優路徑；通過構造的距離矩陣、速度矩陣，可以確保無人機在障礙物間確定一條適當遠離障礙物的路徑，使得固定翼飛行器能更加有效、安全地避開禁飛區；通過設計的起終點約束，規劃出的航跡更易于后期的軌跡跟蹤，滿足實際軌跡規劃需求。

技術領域

本發明屬于無人機軍事應用技術領域，涉及一種基于速度場的無人機軌跡規劃方法。

背景技術

隨著無人機技術的不斷完善與發展，無人機相關應用在軍事和民用生活中發揮著越來越重要的影響。在現代戰爭方面，高級先進的信息技術是現代戰爭最重要最突出的特點。與以往戰爭相比，先進的現代戰爭不僅注重武器的打擊效果，同時更加注重軍事人員的生命安全。而無人機在沒有人員配備的條件下對指定目標進行打擊，從根本上保障了人員的安全，杜絕了傷亡的造成。

在使用過程中，無人機配備了智能設備，能夠實時模擬出飛行的環境，確定自身位置，控制自身飛行狀態，探測障礙物，并依據載入的軌跡規劃算法計算規避路徑，從而成功避開障礙物順利完成任務。無人機軌跡規劃的主要內容是在地形環境約束、無人機性能約束以及其他眾多威脅約束下，規劃出從起始點到目標點的最優安全航跡。通常情況下最優軌跡是指有效躲避外在威脅的最短路徑。規劃安全軌跡是無人機從起飛點到達目標點的重要保障，也是無人機完成任務的重要前提。軌跡規劃作為無人機自主飛行控制研究的重要內容之一，一直都是人們研究的熱點。

科學合理地為無人機集群設計軌跡規劃算法，對于發揮無人機作戰潛能和優勢、充分利用無人機資源以及實現預定的作戰任務起著關鍵的作用，成為實現無人機高效作戰的首要問題。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基于速度場的無人機軌跡規劃方法。

技術方案

一種基于速度場的無人機軌跡規劃方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：將無人機感知設備得到的環境信息柵格化，得到防空區域，且含障礙物區域的信息；將柵格圖整體縮小或者放大等價轉換成地圖矩陣；

步驟2：在地圖矩陣上設定起點的信息為(x_S,y_S,v_S,θ_S)，終點的信息為(x_E,y_E,v_E,θ_E)，其中x,y表示該點的橫縱坐標，v,θ表示該點的速度與偏航角；

以起點為例，在起點航向兩側構造轉彎圓，并視為障礙物區域，轉彎圓的圓心連線垂直于航向；

轉彎圓的半徑以及兩側轉彎圓的圓心坐標計算如下：

其中，g為重力加速度，表示坡度。θ_lef,θ_rig分別表示作左右轉彎圓的圓心與起點連線與x軸正向的夾角，x_Slef,y_Slef分別表示左側圓心的橫縱坐標，同理x_Srig,y_Srig表示右側圓的圓心橫縱坐標；

在起點和終點上，再設計三角形障礙物區域，其中兩個頂點的坐標分別為兩側轉彎圓的圓心，另一個頂點坐標為：