通用航空器飞行航迹规划方法与流程

1.本发明涉及航空飞行技术领域，尤其涉及一种通用航空器飞行航迹规划方法。


背景技术：

2.随着通用航空的发展，通用航空器的种类多样，对航空器的监视管理以及航空轨迹的规划诉求越来越大，特别是对低空飞行的航空器，例如有人机、无人机等。由于低空航空器飞行特性、机载设备各不相同，航空器低空飞行容易受到气象、通信、定位等因素的约束，航空器低空飞行时关键点与航线较多，这就导致常规的航迹规划算法不能同时适用不同种类的航空器，对于飞行路线选择也比较麻烦。如何在复杂的约束条件下选择满足条件且最便捷的航空路线是当下研究的重点。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.针对现有技术问题，本发明提出一种通用航空器飞行航迹规划方法，用于至少部分解决上述技术问题。
5.(二)技术方案
6.本发明提供一种通用航空器飞行航迹规划方法，包括：获取航空器在飞行区域内各个关键点的三维位置信息；确定航空器在飞行区域内的多条真实飞行轨迹，并根据真实飞行轨迹统计航空器依次经过的实际关键点；依次计算航空器经过实际关键点时的真实飞行距离；基于飞行的真实距离确定航空器经过各个实际关键点的约束误差；从多条真实飞行轨迹中确定各个实际关键点的约束误差均满足阈值的备选飞行轨迹；根据不同的飞行场景确定目标函数；基于目标函数在备选飞行轨迹中确定最佳飞行轨迹。
7.优选的，依次计算航空器经过实际关键点时的真实飞行距离，具体包括：
8.根据
[0009][0010]
计算关键点b与关键c之间的真实飞行距离，其中，xb、yb、zb为关键点b的三维坐标，xc、yc、zc为关键点c的三维坐标，航空器依次先后经过的关键点a、关键点b、关键点c在同一直线上。
[0011]
优选的，依次计算航空器经过实际关键点时的真实飞行距离，具体包括：确定直线ab与直线bc的夹角确定航空器的最小转弯半径r
min
；确定关键点b与关键点c之间的空间距离d
bc
；根据夹角最小转弯半径r
min
以及空间距离d
bc
确定航空器经过关键点b与关键点c之间的真实飞行距离；其中，航空器依次先后经过的关键点a、关键点b、关键点c不在同一直线上。
[0012]
优选的，根据夹角最小转弯半径r
min
以及空间距离d
bc
确定航空器经过关键点b与关键点c之间的真实飞行距离，具体包括：
[0013]
将关键点b与关键点c之间的真实飞行距离划分为第一转弯圆弧与第二转弯圆弧；
确定第一转弯圆弧上切线与关键点b与关键点c连线平行的切点q1；
[0014]
确定第二转弯圆弧上切线与关键点b与关键点c连线重合的切点q2；确定第一转弯圆弧与第二转弯圆弧的切点q3；
[0015]
根据夹角以及最小转弯半径r
min
分别计算bq1、q1q3、q3q2、bq2的长度，根据关键点b与关键点c的三维位置信息计算空间距离d
bc
，基于bq1、q1q3、q3q2、bq2的长度以及空间距离d
bc
确定航空器经过关键点b与关键点c之间的真实飞行距离。
[0016]
优选的，根据夹角以及最小转弯半径r
min
分别计算bq1、q1q3、q3q2、bq2的长度，根据关键点b与关键点c的三维位置信息计算空间距离d
bc
，具体包括：
[0017]
bq1长度的计算公式为：
[0018][0019]
q1q3、q3q2长度的计算公式为：
[0020][0021]
bq2长度的计算公式为：
[0022][0023]dbc
长度的计算公式为：
[0024][0025]
其中，xb、yb、zb为关键点b的三维坐标，xc、yc、zc为关键点c的三维坐标。
[0026]
优选的，基于bq1、q1q3、q3q2、bq2的长度以及空间距离d
bc
确定航空器经过关键点b与关键点c之间的真实飞行距离计算公式为：
[0027][0028]
优选的，基于飞行的真实距离确定航空器经过各个实际关键点的约束误差，具体包括：
[0029]
将前一实际关键点的约束误差与前一实际关键点到当前实际关键点的实际飞行距离确定的约束误差相加，得到当前实际关键点的约束误差；
[0030]
以此类推，得到航空器经过各个实际关键点的约束误差。
[0031]
优选的，将前一实际关键点的约束误差与前一实际关键点到当前关键点的实际飞行距离确定的约束误差相加，得到当前实际关键点的约束误差，具体包括：
[0032]
对前一实际关键点的约束误差进行校正，将校正后的前一实际关键点的约束误差与前一实际关键点到当前关键点的实际飞行距离确定的约束误差相加，得到当前实际关键点的约束误差。
[0033]
优选的，根据不同的飞行场景确定目标函数包括：以航空器经过实际关键点数量最少为条件确定目标函数。
[0034]
优选的，根据不同的飞行场景确定目标函数包括：以航空器实际飞行距离最短为条件确定目标函数。
附图说明
[0035]
图1示意性示出了根据本发明一实施例通用航空器飞行航迹规划方法的流程图；
[0036]
图2示意性示出了根据本发明一实施例计算通用航空器的真实飞行距离的流程图；
[0037]
图3示意性示出了根据本发明一实施例通用航空器在飞行区域内转弯模型的示意图；
具体实施方式
[0038]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明；术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”“右”等指示方位或位置关系的词语为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，不能理解为对本技术的限制；在此使用的术语“包含”“包括”等表明了所述特征、步骤、操作和/或的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0040]
针对现有技术的不足，本发明一方面设计了一种通用航空器飞行航迹规划方法，如图1所示，包括：s1，获取航空器在飞行区域内各个关键点的三维位置信息；s2，确定航空器在飞行区域内的多条真实飞行轨迹，并根据真实飞行轨迹统计航空器依次经过的实际关键点；s3，依次计算航空器经过实际关键点时的真实飞行距离；s4，基于飞行的真实距离确定航空器经过各个实际关键点的约束误差；s5，从多条真实飞行轨迹中确定各个实际关键点的约束误差均满足阈值的备选飞行轨迹；s6，根据不同的飞行场景确定目标函数；s7，基于目标函数在备选飞行轨迹中确定最佳飞行轨迹。
[0041]
图1示意性示出了根据本发明一实施例通用航空器飞行航迹规划方法的流程图。
[0042]
如图1所示，该通用航空器飞行航迹规划方法例如可以包括步骤s1-s7。
[0043]
在操作s1，获取航空器在飞行区域内各个关键点的三维位置信息。
[0044]
低空飞行航空器在飞行区域内飞行时，飞行区域内可能存储很多个关键点，航空器可以从所有的关键点中选择部分关键点进行飞行，以从起点飞到终点。为了计算航空器的具体位置信息，可以提前获取航空器在飞行区域内可能经过的各个关键点的三维信息，例如，获取各个关键点的x、y、z坐标，或者获取各个关键点的经度、纬度、高程信息等。
[0045]
在操作s2，确定航空器在飞行区域内的多条真实飞行轨迹，并根据真实飞行轨迹统计航空器依次经过的实际关键点。
[0046]
航空器在飞行区域内选择真实的飞行轨迹时，并不需要经过所有的关键点，例如，航空器从起点a到终点d，存储关键点a、b、c、d。航空器可以依次经过关键点a、b、d，得到一条真实的飞行轨迹abd，也可以依次经过关键点a、c、d，得到另外一条真实的飞行轨迹acd。根据不同的需要，航空器的真实飞行轨迹存在多条。根据航空器的真实飞行轨迹统计航空器依次经过的实际关键点。
[0047]
在操作s3，依次计算航空器经过实际关键点时的真实飞行距离。
[0048]
每一条航空轨迹都是由依次先后经过的关键点构成，每经过两个关键点，均会获得一段真实的飞行距离，依次计算经过的关键点的飞行距离，得到航空器最终的真实飞行距离。例如，航空器在某一条飞行轨迹中经过了n个关键点，则存在n-1条真实的飞行距离段，将n-1条距离段相加，即可得到最终的真实飞行距离。
[0049]
在本发明一实施例中，在航空器依次先后经过的关键点a、关键点b、关键点c在同一直线上的情况下，依次计算航空器经过实际关键点时的真实飞行距离，具体包括：
[0050]
根据
[0051][0052]
计算关键点b与关键c之间的真实飞行距离，其中，xb、yb、zb为关键点b的三维坐标，xc、yc、zc为关键点c的三维坐标。
[0053]
在本发明一实施例中，在航空器依次先后经过的关键点a、关键点b、关键点c不在同一直线上的情况下，依次计算航空器经过实际关键点时的真实飞行距离的过程具体包括如下步骤。
[0054]
图2示意性示出了根据本发明一实施例计算通用航空器的真实飞行距离的流程图。
[0055]
如图2所示，计算真实飞行距离例如可以包括步骤s301-s304。
[0056]
在操作s301，确定直线ab与直线bc的夹角
[0057]
由于关键点a、b、c不在同一直线上，直线ab与直线bc之间存在一定的夹角，可以用表示。
[0058]
在操作s302，确定航空器的最小转弯半径r
min
。
[0059]
航空器在转弯时由于自身飞行特性和控制系统的限制，可能存在无法完成即时转弯，存在最小转弯半径r
min
。
[0060]
在操作s303，确定关键点b与关键点c之间的空间距离d
bc
。
[0061]
关键点b与关键点c之间的空间距离d
bc
为关键点b与关键点c的直线距离，可以通过各关键点的三维坐标直接计算得到。
[0062]
在操作s304，根据夹角最小转弯半径r
min
以及空间距离d
bc
确定航空器经过关键点b与关键点c之间的真实飞行距离。
[0063]
图3示意性示出了根据本发明一实施例通用航空器在飞行区域内转弯模型的示意图。
[0064]
如图3所示，图中坐标平面为路线ab与路线bc所构成的平面，路线bc由两段圆弧组成，b点代表当前所在关键点，a点代表上次经过的关键点，c点代表路径规划下一关键点。代表与的夹角，β代表与的夹角，o1、o2分别代表两次转弯的圆心，q1点切线与bc平行，q2点切线与bc重合，q3代表切换转弯圆心时所在的点，即两段圆弧的切点，分别用d1、d2、d3分别代表弧bq1、弧q1q3、弧q3q2的长度。
[0065]
在本发明一实施例中，可以根据夹角以及最小转弯半径r
min
分别计算d1、d2、d3和bq2长度，根据关键点b与关键点c的三维位置信息计算空间距离d
bc
，基于d1、d2、d3和bq2长度以及空间距离d
bc
确定航空器经过关键点b与关键点c之间的真实飞行距离。
[0066]
如图3所示，由于航空器转弯半径r
min
确定，由图可知q2点的横坐标仅与相关，满足公式：
[0067][0068]
o1、o2坐标分别为由于q3点为两个相同曲率圆心所经过的点并且路线起点q1与终点q2切线方向相同，可得q3点为q
1 q2连线的中点，因此q3点的纵坐标为
[0069]
以o1为圆心，r
min
为半径建立圆的标准方程：
[0070][0071]
将q3点的纵坐标代入上述公式，解得：
[0072][0073]
最终可以确定q2点的坐标为：
[0074][0075]
o1点坐标与o2点坐标计算方式相同，q3点为o1点与o2点中点，以下给出o1点坐标计算过程：
[0076]
由于b点坐标已知，要得到o1坐标仅需计算得到设：
[0077][0078]
向量为已知向量，分别为设平面abc法向量为
[0079][0080]
各向量之间的关系如下式所示：
[0081][0082]
此外，综合以上条件，得到方程组：
[0083][0084]
其中，x0，x3，y0，y3，z0共计五个未知数，可以进行求解。
[0085]
由于航空器增加转弯导致航空器在两个关键点的飞行距离不能简单的以两个关键点的空间距离进行计算，如图3所示，航空器在bc间飞行的真实飞行距离d
′
bc
可由以下公式计算：
[0086][0087]
其中d1、d2、d3满足以下公式：
[0088][0089]
关键点b与关键点c的直线距离d
bc
满足：
[0090][0091]
最终可得：
[0092][0093]
在操作s4，基于飞行的真实距离确定航空器经过各个实际关键点的约束误差；
[0094]
在本发明一实施例中，航空器在经过不同关键点的约束误差是一个累加的过程，即将前一实际关键点的约束误差与前一实际关键点到当前实际关键点的实际飞行距离确定的约束误差相加，得到当前实际关键点的约束误差；例如，航空器依次经过第一个关键点和第二个关键点时，根据航空器在第一个关键点与第二个关键点飞行的实际距离确定第一约束误差，记为第二个关键点的约束误差；航空器依次经过第二个关键点和第三个关键点时，根据航空器在第二个关键点与第三个关键点飞行的实际距离确定第二约束误差，将上述第二个关键点的第一约束误差与根据实际飞行距离确定的第二约束误差相加，记为第三个关键点的约束误差；以此类推，得到航空器经过各个实际关键点的约束误差。约束误差在航空器飞行的过程中会不断累积，约束误差累积可以使用以下公式表达：
[0095]mi+1
＝mi+a
ii+1
[0096]
其中，mi、m
i+1
分别为航空器经过i、i+1关键点的约束误差，a
ii+1
为航空器经过关键点i、关键点i+1产生的约束误差。基于航空器的实际飞行距离确定约束误差为常规的误差累积模型，本发明不再赘述。应该理解的是，航空器在实际飞行过程中，各个关键点的约束误差还可能受飞行区域内的气象、通信等因素的影响。在计算约束误差时也可以加以考虑。
[0097]
在本发明一实施例中，在经过关键点时，航空器会根据当前误差累积量对误差进行校正，对于误差的校正为常规的校正模型，可以采用目前常用的校正方法进行，使得校正
后的约束误差与校正前约束误差满足一定关系，本发明不再赘述。
[0098]
在操作s4，从多条真实飞行轨迹中确定各个实际关键点的约束误差均满足阈值的备选飞行轨迹；
[0099]
在本发明一实施例中，航空器在飞行过程中的航空器经过各个关键点的约束误差应该在一定的范围内，即各个关键点的约束误差应小于阈值，防止航空器飞行过程中偏航。具体的阈值可以根据实际飞行区域的实际情况具体确定。航空器在飞行区域中飞行的真实轨迹可能自由组合，关键点越多，飞行的真实轨迹也越多，但有限理论上的飞行轨迹会导致航空器经过某个关键点时，约束误差超过阈值，因此应该在众多的飞行轨迹中确定约束误差小于阈值的备选飞行轨迹。
[0100]
在操作s6，根据不同的飞行场景确定目标函数；
[0101]
在本发明一实施例中，根据不同场景建立符合场景要求的目标函数，例如可以以航空器经过实际关键点数量最少为条件确定目标函数；还可以以航空器实际飞行距离最短为条件确定目标函数，可以根据常规建立函数模型，根据飞行场景建立目标函数，此处不再赘述。
[0102]
在操作s7，基于目标函数在备选飞行轨迹中确定最佳飞行轨迹。
[0103]
根据约束误差阈值选择确定备选飞行轨迹后，再根据目标函数确定满足目标要求的飞行轨迹，例如，可以通过dijkstra算法进行最短路径搜索，也可以通过基于图论的其他路径搜索算法。根据以上条件构建的目标函数与约束条件可以表示如下：
[0104]
obj＝min(n)or min(d)
[0105][0106]
其中，n代表航空器经过关键点次数，d代表航空器飞行距离，m代表各个关键点的约束误差，θ代表约束误差阈值。
[0107]
在本发明一实施例中，可以通过建立图论模型赋权图对上述过程进行表示。例如，通过关键点数据及航线数据构建图论模型中的赋权图，记为g＝(v，e，f)，其中v称为g的顶点集，有由关键点数据构成。e称为g的边集，由航线数据构成。f对应一个实数f(e)，表示各个关键点之间的约束误差，也可称作各个关键点之间的权重关系，记v＝{v1，v2，...，vn}，e＝{e1，e2，...，em}，其中ek＝vivj，且vi和vj分别为飞行轨迹vivj的起点与终点。
[0108]
将上述构建的图用权矩阵的形式进行表达，可以设一个n阶赋权图g的权矩阵为a，且a＝(a
ij
)n×n，其中：
[0109][0110]
若(x，y，z)代表每个关键点的空间坐标，d
ij
为两个关键点之间的空间距离，两个关键点之间的约束误差f(vivj)与航空器飞行距离d
ij
满足一定关系，f(vivj)满足以下公式：
[0111]
[0112]
其中，f(vivj)＝f(d
ij
)为航空器飞行距离与约束误差的简化表达式，代表常规的航空器的实际飞行距离与约束误差模型。
[0113]
本发明提出的通用航空器飞行航迹规划方法，针对低空飞行航空器种类多样、飞行特性各不相同，设置最小转弯半径，针对飞行约束条件复杂，飞行区域关键点和航线数量多的特点，设置约束条件的误差累积模型及各类约束条件的误差阈值，针对经过最少关键点场景或飞行距离最短等航空器任务场景，设置不同的目标函数。通过各类约束条件与目标函数，来为航空器规划最能符合场景的航迹，具有直观，数学模型统一，实现简单的优点，解决了低空通航领域，在低空飞行航迹规划中约束条件复杂、航空器性能和飞行条件不同，任务场景繁多，航迹规划繁琐的问题。
[0114]
本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。
[0115]
尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。