一种多机编队避障的航迹规划方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115097865A(43)申请公布日2022.09.23(21)申请号202210732536.7(22)申请日2022.06.27(71)申请人中国人民解放军海军航空大学地址264001山东省烟台市芝罘区二马路188号(72)发明人刘玉杰李樾韩维苏析超郭放崔凯凯(74)专利代理机构烟台上禾知识产权代理事务所(普通合伙)37234专利代理师赵加鑫(51)Int.Cl.G05D1/10(2006.01)权利要求书4页说明书12页附图2页(54)发明名称一种多机编队避障的航迹规划方法(57)摘要本发明涉及一种多机编队避障的航迹规划方法，其包括：首先建立单机的三维空间点质量运动模型，接着在该运动模型的基础上加入多个约束条件，最后设定满足该运动模型和约束条件的多机编队最短时间到达目标点的目标函数，由此建立与之对应的多机编队航迹规划模型；建立需要多机编队躲避的障碍物模型，该障碍物模型包括雷达识别区模型和禁飞区模型；基于多机编队航迹规划模型和障碍物模型，预规划出待执行任务的多机编队避障的航迹路线。CN115097865ACN115097865A权利要求书1/4页1.一种多机编队避障的航迹规划方法，其特征在于，包括：首先建立单机的三维空间点质量运动模型，接着在该运动模型的基础上加入多个约束条件，最后设定满足该运动模型和约束条件的多机编队最短时间到达目标点的目标函数，由此建立与之对应的多机编队航迹规划模型；建立需要多机编队躲避的障碍物模型，该障碍物模型包括雷达识别区模型和禁飞区模型；基于多机编队航迹规划模型和障碍物模型，预规划出待执行任务的多机编队避障的航迹路线。2.根据权利要求1所述的多机编队避障的航迹规划方法，其特征在于，所述单机的三维空间点质量运动模型为：其中，(xi,yi,hi)表示飞机i在地面坐标系下的三维坐标；γi表示飞机i的航迹倾角，χi表示飞机i的航向角；Vi表示飞机i的地速；nx,i表示飞机i的水平轴向过载，ny,i表示飞机i的法向过载的水平分量，nz,i表示飞机i的法向过载的垂直分量；g表示重力加速度。3.根据权利要求2所述的多机编队避障的航迹规划方法，其特征在于，所述约束条件包括：飞机i的初/末状态量约束、飞机i的状态量/控制量的幅值约束、飞机i的控制量的变化率约束、多机编队的机间防碰撞约束、和飞机i与外部障碍物防碰撞约束，其中：所述飞机i的初/末状态量约束的表达式为：其中t0表示航迹规划中飞机飞行的初始时刻，tf表示航迹规划中飞机飞行到达目标点的时刻；si,0表示飞机i的初始状态量，si,f表示飞机i到达目标点的状态量；所述飞机i的状态量/控制量的幅值约束的表达式为：其中t0表示航迹规划中飞机飞行的初始时刻，tf表示航迹规划中飞机飞行到达目标点的时刻；si,min表示飞机i的最小状态量，si,max表示飞机i的最大状态量，ui,min表示飞机i的最小控制量，ui,max飞机i的最大控制量；所述飞机i的控制量的变化率约束的表达式为：2CN115097865A权利要求书2/4页其中t0表示航迹规划中飞机飞行的初始时刻，tf表示航迹规划中飞机飞行到达目标点的时刻；表示飞机i的最小控制变化量，表示飞机i的最大控制变化量；所述多机编队的机间防碰撞约束的表达式为：||F·[si(t)‑sj(t)]||2≥Rt，且i≠j，t0≤t≤tf(5)其中t0表示航迹规划中飞机飞行的初始时刻，tf表示航迹规划中飞机飞行到达目标点的时刻；矩阵F＝[I3×3,O3×3]，I3×3是3X3的单位矩阵，O3×3是3X3的0矩阵；Rt是机间安全距离矩阵；所述飞机i与外部障碍物防碰撞约束的表达式为：||E·si(t)‑pobs,m||2≥rm，m＝1,2...M0，t0≤t≤tf(6)其中t0表示航迹规划中飞机飞行的初始时刻，tf表示航迹规划中飞机飞行到达目标点的时刻；矩阵E＝[I2×2,O4×4]，I2×2是2X2的单位矩阵，O4×4是4X4的0矩阵；pobs,m是外部障碍物的中心坐标，rm是对应于外部障碍物的安全距离，其值是自定义值；M0为静态威胁的个数；在上式(2)‑(6)中，si表示飞机i的状态量集合，ui表示飞机i的控制量集合，其中si＝TT(xi,yi,hi,Vi,χi,γi)，ui＝(nx,i,ny,i,nz,i)。4.根据权利要求3所述的多机编队避障的航迹规划方法，其特征在于，所述多机编队航迹规划模型是：其中s.t.式(1)～(6)表示满足上面列出的公式(1)‑(6)的约束。5.根据权利要求4所述的多机编队避障的航迹规划方法，其特征在于，所述需要多机编队躲避的雷达识别区模型包括：D≥Rr+ds，其中D是飞机到达雷达识别区的中心点的距离，Rr为雷达的探测半径，ds为安全裕度；