一种适用于光电载荷无人机系统的任务航线自动规划方法与流程

本发明涉及无人机任务规划领域，更具体地说，是指一种适用于无人机系统的任务航线规划方法。

背景技术：

无人机的主要任务之一就是侦察和监视，侦察无人机快速发展成为了无人机机的主力军，需要根据侦察的目标和范围进行航线规划，以便使机载侦察设备采集到需要的侦察信息，从而为其它武器协同作战提供保障。

最基本的航线规划方法是通过无人机系统地面控制站软件在数字地图上设置航程点形成航线，然后将规划的航线信息通过无线电数据链上传至飞机，再由机载导航系统控制飞机沿航线飞行。

这种人工手动规划任务航线，费时费力且精确度不高，难以适应飞行时快速任务航线规划的需要。

目前未见相关的光电载荷无人机系统任务航线自动规划方法。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种适用于光电载荷无人机系统的任务航线自动规划方法，根据给定的目标区域信息，自动生成任务航线引导无人机执行光电侦察任务。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：

步骤1：根据上级指挥员下达的光电载荷无人机执行的侦察任务，确定任务对象是侦察目标点还是侦察目标区域，选择执行的任务模式，若侦察目标点，则进入定点模式规划流程，进入步骤2；若侦察目标区域，则进入弓形模式规划流程，即进入步骤3；

步骤2：若为定点模式，则依据以下步骤进行：

步骤2.1：接受侦察任务目标参数输入：驶入目标区域a点经纬度坐标(la，ba)，驶出目标区域b点经纬度坐标(lb，bb)，侦察目标点t点经纬度(lt，bt)，海拔高度为ht，无人机在执行侦察任务时相对目标区域的高度为h，无人机围绕目标点作圆周飞行时的盘旋圆的半径为rt，目标区域为长方形，由上级指挥控制系统下传目标区域的长、宽、以及中心点参数；

步骤2.2：将a点经纬度坐标(la，ba)转换为平面直角坐标下的位置(xa，ya)，将b点经纬度坐标(lb，bb)转换为平面直角坐标下的位置(xb，yb)，将侦察目标点t点经纬度(lt，bt)，转换为平面直角坐标下的位置(xt，yt)，根据三点的位置计算出a点至t点的距离dat以及b点至t点的距离dbt：

步骤2.3：通过a点作盘旋圆的切线，切点为s点，通过b点作盘旋圆的切线，切点为e点，计算a点至s点的距离das以及b点至e点的距离dbe：

步骤2.4：a点与目标点t点连线的方向角为α，线段at与as形成的夹角为δα，同样b点与目标点t点连线的方向角为β，线段bt与be形成的夹角为δβ，则：

步骤2.5：a点与s点连线的方向角为α，b点与e点连线的方向角为β′；

若α-β＞0，则

若α-β＜0，则

步骤2.6：根据方向角α′和β′，a点位置坐标(xa，ya)和b点位置坐标(xb，yb)，距离das和距离dbe，计算s点和e点的位置(xs，ys)和(xe，ye)：

再利用坐标转换将s点和e点的直角坐标(xs，ys)和(xe，ye)转换为经纬度(ls，bs)和(le，be)；

步骤2.7：定点模式的任务航线航点依次为：

a点驶入点：坐标(la，ba，ht+h)；

s点开始侦察点：坐标(ls，bs，ht+h)，指令为开始侦察，盘旋半径为rt，盘旋圆心为(lt，bt)，盘旋周期为n，经过n次盘旋后进入e点结束侦察；

e点结束侦察点：坐标(le，be，ht+h)，指令为结束侦察；

b点驶出点：坐标(lb，bb，ht+h)；

步骤3：若为弓形模式(无人机载侦察时的任务航线为弓形)，则依据以下步骤进行：

步骤3.1：接受侦察任务参数输入：侦察区为宽度dw、高度dh的长方形，长方形侦察区的中心点c点的经纬度坐标(lc，bc)，侦察区域倾斜角为θ，区域海拔高为hs，无人机在执行任务时相对于侦察区域的高度为h，弓形航线的间距为d；

步骤3.2：假设区域倾斜角为0度，将区域中心点c点的经纬度坐标(lc，bc)，转换为平面直角坐标下的位置(xc，yc)，计算区域顶点0点(将该点作为弓形航线的起始点)的位置：

步骤3.3：以1、2、3、4四个点为一个循环，计算整个区域的循环次为向下取整函数，即示不大于x的最大整数)，则整个区域的弓形航线航点数为n＝4n+1，对i从0开始进行循环，i＜n，j＝4n，计算除起始点0点以外的航点位置：

步骤3.4：利用给定角度的坐标变换计算侦察区域倾斜角为θ时的弓形航线航点位置，k为航点序号(k从0开始)，*代表侦察区域旋转倾斜角θ之后的弓形航线航点：

将所有航点直角坐标位置转化为经纬度坐标(lk，bk)，所有弓形航线航点高度均为h＝hs+h。

本发明的有益效果在于由于提出一种适用于光电载荷无人机系统的任务航线规划方法，与之前的手动航线规划方式相比，利用了已知的目标区域和目标点信息，计算出航点信息，提高了规划航线的精确度；同时本发明在给定了目标区域和目标点的参数后自动生成任务规划航线，免除了操作员在图上作业的不便，极大地提高了光电载荷任务规划的效率。

附图说明

图1为本发明定点模式侦察目标信息示意图。

图2为本发明定点模式开始侦察点和结束侦察点计算关系示意图。

图3为本发明弓形模式侦察区域信息示意图。

图4为本发明弓形模式规划航线示意图。

图5为本发明光电载荷无人机航线规划流程图。

其中，rt为盘旋圆的半径，a为驶入目标区域点，b为驶出目标区域点，t为侦察目标点，dat为a点至t点的距离，dbt为b点至t点的距离，das为a点至s点的距离，dbe为b点至e点的距离，α为a点与目标点t点连线的方向角，at与as形成的夹角为δα，b点与目标点t点连线的方向角为β，线段bt与be形成的夹角为δβ，a点与s点连线的方向角为α′，b点与e点连线的方向角为β′，dw为侦察区宽度，dh为侦察区的高度，c点为侦察区的中心点，侦察区域倾斜角为θ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

步骤1：根据上级指挥员下达的光电载荷无人机执行的侦察任务，确定任务对象是侦察目标点还是侦察目标区域，选择执行的任务模式，若侦察目标点，则进入定点模式规划流程,，进入步骤2；若侦察目标区域，则进入弓形模式规划流程，即进入步骤3；

步骤2：若为定点模式，则依据以下步骤进行：

步骤2.1：接受侦察任务目标参数输入：驶入目标区域a点经纬度坐标(la，ba)，驶出目标区域b点经纬度坐标(lb，bb)，侦察目标点t点经纬度(lt，bt)，海拔高度为ht，无人机在执行侦察任务时相对目标区域的高度为h，无人机围绕目标点作圆周飞行时的盘旋圆的半径为rt，如附图1所示，目标区域为长方形，由上级指挥控制系统下传目标区域的长、宽、以及中心点参数；

步骤2.2：将a点经纬度坐标(la，ba)转换为平面直角坐标下的位置(xa，ya)，将b点经纬度坐标(lb，bb)转换为平面直角坐标下的位置(xb，yb)，将侦察目标点t点经纬度(lt，bt)，转换为平面直角坐标下的位置(xt，yt)，根据三点的位置计算出a点至t点的距离dat以及b点至t点的距离dbt：

步骤2.3：通过a点作盘旋圆的切线，切点为s点，通过b点作盘旋圆的切线，切点为e点，如图2所示；计算a点至s点的距离das以及b点至e点的距离dbe：

步骤2.4：如图2所示，a点与目标点t点连线的方向角为α，线段at与as形成的夹角为δα，同样b点与目标点t点连线的方向角为β，线段bt与be形成的夹角为δβ，则：

步骤2.5：如图2所示，a点与s点连线的方向角为α′，b点与e点连线的方向角为β′；

若α-β＞0，则

若α-β＜0，则

步骤2.6：根据方向角a′和β′，a点位置坐标(xa，ya)和b点位置坐标(xb，yb)，距离das和距离dbe，计算s点和e点的位置(xs，ys)和(xe，ye)：

再利用坐标转换将s点和e点的直角坐标(xs，ys)和(xe，ye)转换为经纬度(ls，bs)和(le，be)；

步骤2.7：定点模式的任务航线航点依次为：

a点驶入点：坐标(la，ba，ht+h)；

s点开始侦察点：坐标(ls，bs，ht+h)，指令为开始侦察，盘旋半径为rt，盘旋圆心为(lt，bt)，盘旋周期为n，经过n次盘旋后进入e点结束侦察；

e点结束侦察点：坐标(le，be，ht+h)，指令为结束侦察；

b点驶出点：坐标(lb，bb，ht+j)；

步骤3：若为弓形模式(无人机载侦察时的任务航线为弓形)，则依据以下步骤进行：

步骤3.1：接受侦察任务参数输入：侦察区为宽度dw、高度dh的长方形，长方形侦察区的中心点c点的经纬度坐标(lc，bc)，侦察区域倾斜角为θ，如图3所示，区域海拔高为hs，无人机在执行任务时相对于侦察区域的高度为h，弓形航线的间距为d；

步骤3.2：假设区域倾斜角为0度，将区域中心点c点的经纬度坐标(lc，bc)，转换为平面直角坐标下的位置(xc，yc)，计算区域顶点0点(将该点作为弓形航线的起始点)的位置：

步骤3.3：如图4所示，以1、2、3、4四个点为一个循环，计算整个区域的循环次数(为向下取整函数，即表示不大于x的最大整数)，则整个区域的弓形航线航点数为n＝4n+1，对i从0开始进行循环，i＜n，j＝4n，计算除起始点0点以外的航点位置：

步骤3.4：利用给定角度的坐标变换计算侦察区域倾斜角为θ时的弓形航线航点位置，k为航点序号(k从0开始)，*代表侦察区域旋转倾斜角θ之后的弓形航线航点：

将所有航点直角坐标位置转化为经纬度坐标(lk，bk)，所有弓形航线航点高度均为h＝hs+h。

本发明实施例的详细步骤如下：

步骤1：选择执行的任务模式为定点模式还是弓形模式。

步骤2：若为定点模式，则依据以下步骤进行：

a)接受侦察任务目标参数输入：驶入目标区域a点经纬度坐标(la，ba)，驶出目标区域b点经纬度坐标(lb，bb)，侦察目标点t点经纬度(lt，bt)，海拔高度为ht，无人机在执行侦察任务时相对目标区域的高度为h＝2000m，无人机绕着目标点盘旋的半径为rt＝1000m。

b)将a点经纬度坐标(la，ba)、b点经纬度坐标(lb，bb)和侦察目标点t点经纬度(lt，bt)转换为平面直角坐标下的位置(xa，ya)、(xb，yb)和(xt，yt)。根据三点的为直角坐标位置计算出a点至t点的距离dat以及b点至t点的距离dbt：

c)根据切线的定义和直角三角形的特性。计算a点至s点的距离das以及b点至e点的距离dbe：

d)计算方向角α和β，夹角δα和δβ：

e)计算方向角为a′和为β′，本发明中的所有角度的范围均为[0，360)，若不在此范围应通过加或者减去360将角度转换到此区间。

若α-β＞0，则

若α-β＜0，则

f)根据方向角α′和β′，a点位置坐标(xa，ya)和b点位置坐标(xb，yb)，距离das和距离dbe，计算s点和e点的位置(xs，ys)和(xe，ye)：

再利用坐标转换将s点和e点的直角坐标(xs，ys)和(xe，ye)转换为经纬度(ls，bs)和(le，be)。

g)定点模式的任务航线航点依次为：

a点驶入点：坐标(la，ba，ht+2000)；

s点开始侦察点：坐标(ls，bs，ht+2000)，指令为开始侦察，盘旋半径为1000m，盘旋圆心为(lt，bt)，盘旋周期为3；

e点结束侦察点：坐标(le，be，ht+2000)，指令为结束侦察。

b点驶出点：(lb，bb，ht+2000)。

步骤3：若为弓形模式，则依据以下步骤进行：

a)接受侦察任务参数输入：长方形侦察区的宽度dw＝6500m、高度dh＝2500m，区域中心点c点的经纬度坐标(lc，bc)，侦察区域倾斜角为θ＝45°。区域海拔高为hs，无人机在执行任务时相对于侦察区域的高度h＝2000m，弓形航线的间距为d＝1000m。

b)假设区域倾斜角为0度，将区域中心点c点的经纬度坐标(lc，bc)，转换为平面直角坐标下的位置(xc，yc)，计算区域顶点0点：

c)如附图4所示，以1、2、3、4四个点为一个循环，计算整个区域的循环次数则整个区域的弓形航线航点数为n＝4n+1＝13，利用for循环对i从0开始进行循环，i＜n，j＝4n，计算除起始点0点以外的航点位置:

d)利用给定角度的坐标变换计算侦察区域倾斜角为θ＝45°时的弓形航线航点直角坐标位置，k为航点序号(k从0开始)，*代表侦察区域旋转45°之后的弓形航线航点：

将所有航点直角坐标位置转化为经纬度坐标(lk，bk)，所有弓形航线航点高度均为h＝hs+2000(单位：m)。

光电载荷无人机航线规划流程图如附图5所示。

本发明已经应用于某型无人机系统中，在该系统中，本发明在地面站的导航监控软件中实现。导航监控软件通过网络与数据链系统的地面数据终端进行数据交互，并通过地面数据终端向无人机发送自动生成的光电载荷任务航线数据。