一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法
【专利摘要】本发明公开了一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，包括步骤1：获取无人飞行器执行任务时的飞行高度，相关的机动参数以及无人飞行器在飞行过程中，机体的性能约束参数；步骤2：获取无人飞行器在任务飞行高度下的安全飞行速度走廊；步骤3：将安全飞行速度走廊内进行速度划分，取最大飞行速度，获取该速度下的最小转弯半径与三维栅格单位长度，判断结果是否满足性能要求；步骤4：获取满足性能约束的三维栅格单位长度与任务场景的三维栅格个数。本发明实现在无人飞行器进行高速飞行前的任务规划阶段，对任务场景进行满足机动性能约束的栅格划分，在航迹规划前确定无人飞行器的最小转弯半径，节省了无人飞行器航迹规划后的光滑处理步骤。
【专利说明】
-种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法
技术领域
[0001] 本发明设及无人飞行器航迹规划技术领域，应用于无人飞行器航迹规划前的场景 预处理阶段，具体设及一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法。
【背景技术】
[0002] 无人飞行器的航迹规划是在满足性能指标等约束条件的前提下，综合考虑任务场 景的威胁、天气状况和任务目标，从无人飞行器的出发点，规划出一条代价最小的航迹，W 支持无人飞行器完成任务，是任务规划的关键技术环节之一。
[0003] 上个世纪50年代开始，无人飞行器被应用到作为祀机、侦察机等多种用途。随着任 务的复杂程度与日俱增，无人飞行器任务规划系统建立的重要性日益凸显，航迹规划是一 口伴随着现代信息技术而发展起来的高新技术。
[0004] 无人飞行器航迹规划过程分为离线规划与在线规划。在无人飞行器执行任务之 前，根据对任务场景的先验知识，进行离线规划。离线规划过程通常采用分布式计算处理技 术，不对算法的时间复杂度做过多的要求。在线规划是指在无人飞行器进行任务的过程中， 通过加载离线航迹结果，按照预先规划航迹飞行，再根据无人飞行器搭载的遥感遥测设备 进行实时场景勘测，对新发现的威胁等进行实时的航迹规划。
[0005] 20世纪90年代W来，将智能优化算法应用于航迹规划中已经成为一种趋势。智能 优化算法具有数学模型简单、启发式捜索与随机捜索相结合、收敛速度较快等优点。同时， 基于智能优化算法的航迹规划却难W保证无人飞行器满足自身的机动约束，因此只能通过 改变航迹规划的栅格划分方式来改变无人飞行器的转弯半径，并在航迹规划后进一步利用 满足最小转弯半径的航迹平滑技术进行处理。且通常的航迹规划栅格划分方法将场景划分 成若干个正方形栅格，没有体现出初始速度方向与正交方向上的划分差异。所W，运种简单 划分后再进行航迹平滑的方法往往花费了大量计算时间，且规划结果也十分粗糖。
[0006] 因此，现有技术的无人飞行器航迹规划存在对基于智能优化方法的航迹规划无法 满足机动约束要求的问题。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分 方法，在智能优化方法进行航迹规划前的场景建模阶段，划分出满足无人飞行器性能约束 的栅格空间。本发明可用于无人飞行器航迹规划的准备阶段，栅格空间建立后，再对其进行 航迹规划，进而实现了规划出满足无人飞行器性能约束的航迹的技术效果。
[000引本发明的一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，包括W下几个步骤：
[0009] 步骤1:参数输入:输入无人飞行器执行任务时的飞行高度，无人飞行器本身相关 的机动参数W及无人飞行器在飞行过程中，机体可W承受的性能约束参数；
[0010] 步骤2:计算安全飞行速度走廊:无人飞行器任务飞行高度下，计算满足性能约束 条件的最大飞行速度与满足平衡飞行条件的最小飞行速度，得到无人飞行器在任务飞行高 度下的安全飞行速度走廊。
[0011] 步骤3:计算转弯半径与=维栅格长度:计算将安全飞行速度走廊内进行速度划 分，取最大飞行速度，计算该速度下的最小转弯半径与=维栅格单位长度;判断结果是否满 足性能要求，若不满足，按照划分步长继续选择飞行速度并计算转弯半径与=维栅格单位 长度；
[0012] 步骤4:结果输出：输出满足性能约束的=维栅格单位长度与任务场景的=维栅格 个数。
[001引本发明的优点在于：
[0014] (1)克服了在基于智能优化方法进行随机捜索的航迹规划的场景建模阶段中，难 W满足无人飞行器性能约束条件的问题；
[0015] (2)航迹规划计算后，无需经过航迹平滑，即可得到满足无人飞行器性能约束条件 的光滑航迹，节省计算资源的消耗，简化航迹规划的过程；
[0016] (3)实现在无人飞行器进行高速飞行前的任务规划阶段，对任务场景进行满足机 动性能约束的栅格划分，在航迹规划前确定无人飞行器的最小转弯半径，节省了无人飞行 器航迹规划后的光滑处理步骤。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明中满足性能约束的无人飞行器航迹规划栅格划分方法的流程图；
[0018] 图2为本发明中无人飞行器栅格划分几何示意图；
[0019] 图3为本发明中无人飞行器航迹捜索邻域节点示意图。
【具体实施方式】
[0020] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0021] 本发明是一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，解决了现有基于智能优化 方法的无人飞行器航迹规划结果难W满足机动性能约束的问题。在航迹规划开始前的场景 建模阶段，划分出满足无人飞行器机动性能约束的捜索栅格空间。
[0022] 本发明中的技术方案为解决上述基于智能优化方法的无人飞行器航迹规划中难 W满足实际机动性能要求的技术问题，总体思路如下：
[0023] 首先，通过输入无人飞行器的飞行任务高度与机动性能参数，计算得到满足无人 飞行器动压约束、过载约束与热流密度约束条件下的最大飞行速度，再根据平衡飞行条件 计算得到最小飞行速度，从而得到无人飞行器的任务飞行速度区间;接着，对安全飞行速度 走廊内的最大速度，根据无人飞行器下一步选择几何关系，计算得到无人飞行器在该飞行 速度下的最小转弯半径W及对应=维栅格划分的长度，并判断所有可选的下一步栅格中是 否全部满足机动性能约束要求，若有不满足，则重新选取飞行速度进行解算，直至满足所有 机动性能约束条件;最后，输出划分的=维栅格长度与个数。
[0024] 为了更好地理解上述技术方案，结合附图，W及具体的实施方案对上述的技术方 案进行详细的说明。
[0025] 本发明提供的无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，通过W下步骤来实现的， 如图1所示：
[0026] 步骤I:参数输入:输入无人飞行器执行任务时的飞行高度，无人飞行器本身相关 的机动参数W及无人飞行器在飞行过程中，机体可W承受的性能约束参数；
[0027] (a)输入无人飞行器执行任务时的飞行高度H，任务场景的地形高度信息Hm,航迹 规划的起始点S，航迹规划的目标点E，无人飞行器在相邻栅格间飞行的时间A t;
[00%] (b)输入与无人飞行器参数，如无人飞行器质量m，无人飞行器参考气动面积Sref, 无人飞行器头部曲率半径Rd;
[0029] (C)输入无人飞行器机体飞行过程中机动参数，如最小攻角Qmin,最大滚转角(Kax， 最大过载Umax，最大法向过载rizmax，过载经验公式系数Clcc、Cdo和Cdcc，最大气动压强Qmax W及最 大驻流点热流密度Qmax等预设参数。
[0030] 步骤2:计算安全飞行速度走廊:无人飞行器任务飞行高度下，计算满足性能约束 条件的最大飞行速度与满足平衡飞行条件的最小飞行速度，得到无人飞行器在任务飞行高 度下的安全飞行速度走廊。
[0031] (a)按照大气指数模型，计算在无人飞行器预计飞行高度处的大气密度，海平面的 大气密度为PQ= 1.2250kg/m3。则无人飞行器飞行高度H处的大气密度为：
[0032]
(1)
[0033] (b)无人飞行器不能在气动压力过大的情况下飞行会造成机身疲劳，造成事故。因 此，计算景大气动用强约束下的最大飞行速度：
[0034]
樹
[0035] (C)无人飞行器飞行速度过大，飞行器表面的气流热效应明显，则可能烧毁飞行器 表面蒙皮。根据无人飞行器头部曲率半径Rd,计算最大驻流点热流密度约束下的最大飞行 速度：
[0036]
符）
[0037] 其中，g〇 = 9.80665m/V为海平面处的重力加速度，Ro = 6378km为地球平均半径，计 算常数 Ci= 111030。
[0038] (d)当无人飞行器的俯仰角固定位机体可W承受的最大俯仰角amin，根据气动力系 数经验公式，分别计算无人飞行器的升力系数Cl与阻力系数Cd:
[0039] CL = CLa-Qmin (4)
[0040] &=辟。+￡^<^'端。 说
[0041] 其中，CluXdo和Cdu为经验公式系数，由步骤1进行输入。
[0042] 根据无人飞行器参考气动面积Sref，W及无人飞行器在飞行过程中，最大过载nmax， 最大法向过载nzmax，计算在过载约束下的最大飞行速度：
[0043] ㈱
[0044] 巧)
[0045] 其中，m为无人飞行器的质量。
[0046] (e)根据步骤(b) (C) (d)，计算得到在预定飞行高度下，综合无人飞行器的机动性 能约束下的最大飞行速度，对四个不同约束条件下的最大飞行速度取最小值，可W得到无 人飞行器在预定高度下，实际的最大飞行速度：
[0047] Vmax = m i n ( Vmax-q , Vmax-Q , Vmax-n , Vmax-nz ) (8)
[0048] (f)无人飞行器飞行，则无人飞行器需要受到一定的升力。若无人飞行器飞行速度 过小，则气流给予无人飞行器的升力不够支持其平衡飞行，则无人飞行器将会坠毁。因此需 要在任平猫干动力学方程，计算飞机可W平衡飞行的最小速度。
[0049] ㈱ (10)
[(K)加]
[0051 ]具甲，g刃仕务MT商度的重力加速度，由公式（10)进行计算；r = R〇+H，为无人飞 行器飞行高度与地球平均半径之和。
[0052] (g)根据在指定高度下，计算得到的无人飞行器的最大飞行速度与最小飞行速度， 可W得到无人飞行器的飞行速度走廊(速度走廊指的是无人飞行器安全飞行的速度区间， 就是最大飞行速度和最小飞行速度之间的速度范围。）。
[0053] 步骤3 :计算转弯半径与=维栅格长度:计算将安全飞行速度走廊内进行速度划 分，取最小飞行速度，计算最小转弯半径与=维栅格单位长度;判断结果是否满足性能要 求，若不满足，按照划分步长继续选择飞行速度并计算转弯半径与=维栅格单位长度；
[0054] (a)在无人飞行器的安全飞行速度区间内，可W将速度区间分为N等分。首先取安 全飞行速度走廊内的最大速度计算。由于无人飞行器在转弯过程中，升力与重力的合力提 供其向中屯、侧滑的合力，即向屯、力，根据最大滚转角4max，计算无人飞行器在任务高度的最 小转弯半径Rmin :
[00 巧]
(1-1)
[0056] 其中，V为在安全飞行速度走廊内选取的飞行速度。
[0057] (b)建立无人飞行器航迹规划的场景坐标系，设y方向为无人飞行器进入任务场景 初始速度方向，Z方向为高度方向，X方向为与y、z方向形成右手坐标系的方向。此后，根据图
2所示|^1 n缸"^^^；玄^管航4麻曲|书||二纯；細^*么1^1矩形划分.
[005引 （1巧
[0059] (13)
[0060] -
[0061] 其中：At为无人飞行器在相邻栅格间飞行的时间，由步骤1中输入。
[0062] 在无人飞行器的最大飞行速度下，根据公式（13)(14)计算得到的栅格为满足性能 约束条件的，最稀松的航迹规划栅格空间划分。
[0063] (C)考虑到航迹规划时的所有邻接节点，如图3所示，均应当满足机动性能约束，所 W当得到一组航迹规划栅格划分的结果时，应当返回计算其所有邻接节点是否也满足无人 飞行器的机动性能约束，考虑到如图3所示的邻接节点，有W下两个约束条件
[0064] (15)
[00化] (16)
[0066] (d)若已得到的划分不满足公式（15)(16)中任意一个不等式，则按照公式（17)重 新选取节巧雨麽.公古由k亲志巧代的次数。
[0067]
(1巧
[0068] 根据重新选取的无人飞行器飞行速度，重新计算，得到=维栅格的矩形划分，再次 判断邻接节点是否均满足公式（15)(16)的约束条件。若不满足，则再次迭代;若满足，则继 续执行步骤4。
[0069] 步骤4:结果输出：输出满足性能约束的=维栅格单位长度与任务场景的=维栅格 个数。
[0070] 对张驢3中得到的斬迹矩形栅格划分，进行最终栅格划分数量的计算：
[0071] (巧）
[0072] (19)
[007；3] (20)
[0074] 其中，Hm为实际无人飞行器任务场景中的地形高度信息，S为无人飞行器规划起始 点，E为规划目标点，作为先验知识在步骤1 (a)中进行输入。
[0075] 在具体的实施方式中，对本方法的执行主体并不仅限于是无人机，还可W是其他 的无人驾驶的飞行器。
[0076] 实施例1:针对一个飞行在500米高空的小型无人飞行器，进行航迹规划的栅格空 间划分
[0077] 步骤1:参数输入
[0078] (a)输入无人飞行器执行任务时的飞行高度H=500m，任务场景的地形最高高度Hm 二800m;
[0079] (b)输入与无人飞行器参数，如无人飞行器参考气动面积Sref = O. 5m2,无人飞行器 头部曲率半径Rd = 0.6m;
[0080] (C)输入无人飞行器机体飞行过程中机动参数，如最小攻角amin=l°，最大滚转角 4 max = 85°，最大过载Dmax = 4，最大法向过载Dzmax= 2，过载经验公式系数CLa = 2、Cdo = 0.055、 CDa = 2.5,最大气动压强Qmax = 5X 10中aW及最大驻流点热流密度Qmax = 2X l〇\W/m2。
[0081 ]步骤2:计算安全飞行速度走廊
[0082] (a)按照大气指数模型，计算在无人飞行器预计飞行高度处的大气密度P = 1.14：Mkg/m3;
[0083] (b)计算最大气动压强约束下的最大飞行速度Vmax-q = 935.1878m/s;
[0084] (C)计算最大驻流点热流密度约束下的最大飞行速度Vmax-Q= 1769.1323m/s;
[0085] (d)计算最大总过载和最大法向过载约束下的最大飞行速度Vmax-n=195.8108m/s， Vmax-nz = 138.7616m/s;
[0086] (e)计算取（b) (C) (d)中最大飞行速度的最小值，得到实际最大飞行速度Vmax = 138.7616m/s；
[0087] (f)计算无人飞行器平衡平行状态下，最小飞行速度Vmin=124.7204m/s;
[0088] (g)得到无人飞行器最终安全飞行速度走廊VG [ 124.7204m/s，138.7616m/s]。
[0089] 步骤3:计算转弯半径与=维栅格长度
[0090] (a)取安全飞行速度走廊中最大飞行速度，计算最小转弯半径Rmin=171.8059m;
[0091] (b)计算 S 维栅格空间划分长度：A X= 179.4545m，Ay = 171.6355m，Az = 62.4702m；
[0092] (C)该=维栅格空间划分的所有邻接节点满足无人飞行器的机动性能约束，故步 骤3结束。
[0093] 步骤4:输出满足性能约束的=维栅格单位长度与任务场景的=维栅格个数。根据 步骤3的结果输出=维栅格空间单位长度，计算得到=维栅格空间个数分别为Nx=194，Ny = 1391，Nz=17。
[0094] 本发明提供一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，通过考虑无人飞行器的 动压约束、过载约束、法向过载约束和热流密度约束，计算无人飞行器的最大飞行速度，考 虑其平衡飞行的条件，计算最小飞行速度，得到无人飞行器规定高度下的安全飞行速度走 廊，之后进行速度优选，直至所有邻接节点满足机动性能要求，最终输出航迹规划栅格划分 的结果，输出的栅格划分结果通常是非正方形的栅格，相较于W往的航迹规划栅格划分方 法，得到更加能够反映无人飞行器机动性能约束的栅格空间，便于此后进行的航迹规划计 算。
【主权项】
1. 一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，包括以下几个步骤： 步骤1:获取无人飞行器执行任务时的飞行高度，无人飞行器本身相关的机动参数以及 无人飞行器在飞行过程中，机体的性能约束参数； 步骤2:无人飞行器任务飞行高度下，获取满足性能约束条件的最大飞行速度与满足平 衡飞行条件的最小飞行速度，得到无人飞行器在任务飞行高度下的安全飞行速度走廊； 步骤3:将安全飞行速度走廊内进行速度划分，取最大飞行速度，获取该速度下的最小 转弯半径与三维栅格单位长度，判断结果是否满足性能要求，若不满足，按照划分步长继续 选择飞行速度并计算转弯半径与三维栅格单位长度； 步骤4:获取满足性能约束的三维栅格单位长度与任务场景的三维栅格个数。2. 根据权利要求1所述的一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，所述的步骤1中 具体包括： (a) 获取无人飞行器执行任务时的飞行高度H，任务场景的地形高度信息Hm，航迹规划的 起始点S，航迹规划的目标点E，无人飞行器在相邻栅格间飞行的时间△ t; (b) 获取与无人飞行器参数，包括无人飞行器质量m，无人飞行器参考气动面积Sref，无 人飞行器头部曲率半径Rd; (c) 获取无人飞行器机体飞行过程中机动参数，包括最小攻角amin，最大滚转角Φ_χ，最 大过载nmax，最大法向过载n zmax，过载经验公式系数Cu、CDQ和CDa，最大气动压强qmax以及最大 驻流点热流密度Qmx。3. 根据权利要求1所述的一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，所述的步骤2中 具体包括： (a) 按照大气指数模型，获取在无人飞行器预计飞行高度处的大气密度，设海平面的大 气密度为Po= 1.2250ks?/m3，则无人飞行器飞行高度Η处的大气密度为：⑴ (b) 获取最大气动压强约束下的最大飞行速度：(2)(c) 根据无人飞行器头部曲率半径Rd，获取最大驻流点热流密度约束下的最大飞行速 度： 13) 其中，go = 9.80665m/sz为海平面处的重力加速度，R〇 = 6378km为地球平均半径，C1 = 111030； (d) 当无人飞行器的俯仰角固定位机体可以承受的最大俯仰角amin，根据气动力系数经 验公式，分别获取无人飞行器的升力系数α与阻力系数C D:(5) 其中，Cu、CDQ和CDa为经验公式系数； 根据无人飞行器参考气动面积Sref，以及无人飞行器在飞行过程中，最大过载IW，最大 (7)(6)法向过载nzmax，获取在过载约束下的最大飞行速度：其中，m为无人飞行器的质量； (e) 根据步骤(b)(c)(d)，获取在预定飞行高度下，综合无人飞行器的机动性能约束下 的最大飞行速度，对四个不同约束条件下的最大飞行速度取最小值，得到无人飞行器在预 定高度下，实际的最大飞行速度： Vmax - Illin ( Vmax-q 7 Vmax-Q 7 Vmax-n 7 Vmax-nz ) ( 8 ) (f) 在任务高度，根据平衡飞行动力学方程，获取飞机平衡飞行的最小速度；(9) (10) 其中，g为任务飞行高度的重力加速度，r = Ro+H，为无人飞行器飞行高度与地球平均半 径之和； (g) 根据在指定高度下，计算得到的无人飞行器的最大飞行速度与最小飞行速度，得到 无人飞行器的飞行速度走廊。4.根据权利要求1所述的一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，所述的步骤3中 具体包括： (a) 在无人飞行器的安全飞行速度区间内，将速度区间分为N等分，根据最大滚转角 Φ_，计算无人飞行器在任务高度的最小转弯半径Rmin:(11) 其中，v为在安全飞行速度走廊内选取的飞行速度； (b) 建立无人飞行器航迹规划的场景坐标系，设y方向为无人飞行器进入任务场景初始 速度方向，z方向为高度方向，X方向为与y、z方向形成右手坐标系的方向，获取航迹规划三 维栅格的矩形划分：(12) (13) Δ ζ = Δ ytan(amax) (14) 其中：A t为无人飞行器在相邻栅格间飞行的时间； 在无人飞行器的最大飞行速度下，根据公式（13) (14)计算得到的栅格为满足性能约束 条件的，最稀松的航迹规划栅格空间划分； (C)当得到一组航迹规划栅格划分的结果时，计算其所有邻接节点是否也满足无人飞 行器的机动性能约束，约束条件如下：(11丨 (16) (d)若已得到的划分不满足公式（15)(16)中任意一个不等式，则按照公式（17)重新选 取飞行速度，公式中k表示迭代的次数；(17) 根据重新选取的无人飞行器飞行速度，重新计算，得到三维栅格的矩形划分，再次判断 邻接节点是否均满足公式（15)(16)的约束条件;若不满足，则再次迭代;若满足，则继续执 行步骤4。5.根据权利要求1所述的一种无人飞行器航迹规划栅格空间划分方法，所述的步骤4中 具体包括： 对航迹矩形栅格划分，进行最终栅格划分数量的计算：其中，Hm为实际无人飞行器任务场景中的地形高度信息，S为无人飞行器规划起始点，E 为规划目标点。
【文档编号】G01C21/20GK105953800SQ201610416934
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】李景文, 姚锟, 孙兵, 谭林
【申请人】北京航空航天大学