一种基于Dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113624237A(43)申请公布日2021.11.09(21)申请号202110912128.5(22)申请日2021.08.10(71)申请人北京理工大学地址100081北京市海淀区中关村南大街5号(72)发明人龙腾周桢林孙景亮徐广通曹严李俊志(74)专利代理机构北京正阳理工知识产权代理事务所(普通合伙)11639代理人邬晓楠(51)Int.Cl.G01C21/20(2006.01)权利要求书5页说明书10页附图4页(54)发明名称一种基于Dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法(57)摘要本发明公开的一种基于Dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法，属于航迹规划技术领域。本发明实现方法为：根据实际任务需要，考虑终端航向角约束，快速生成基于Dubins路径的可行航迹，通过考虑无人机运动学约束信息和航程信息，采取分段补偿策略对Dubins路径中的直线段进行航程调整，将无人机航迹规划过程中时间一致性约束转化为定航程问题，使得多无人机航程一致，并在航程调整后依然使得各架无人机保持直线段飞行方向，引导多无人机同时抵达目标位置，即实现多架无人机的时空一致性。本发明具有满足复杂约束、短时间内生成可行航迹的优点。所述复杂约束包括无人机运动学约束、时间一致性约束和终端航向角约束。CN113624237ACN113624237A权利要求书1/5页1.一种基于Dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：获得无人机飞行性能参数信息、航迹约束信息和任务环境信息；所述的无人机飞行性能参数信息包括无人机飞行速度、最大转弯角和最小航迹段长度；所述的航迹约束信息包括无人机的飞行起点位置、起点飞行方向、目标点位置和目标点飞行方向；所述的任务环境信息包括飞行区域信息；步骤二：建立无人机运动学、时间一致性约束和航迹规划模型；步骤三：不考虑无人机间的协同约束，以最小化单架无人机航程为目标，基于Dubins路径算法对每一架无人机分别进行二维航迹规划，所述二维航迹规划均包含四种Dubins路径方案；以航程调整能力最大和单架无人机航程最短为择优目标，定制评价准则函数，通过所述评价准则函数选择最优Dubins路径方案快速得到满足终端航向角约束的无人机初始航迹，并根据无人机初始航迹中起始角度调整量和末角度调整量以及直线段起点、终点计算最优Dubins路径方案对应的初始航迹长度；所述Dubins路径方案包括(RSL、LSR、RSR、LSL)四种模式；步骤四：在步骤三无人机初始航迹的基础上，通过考虑无人机运动学约束信息和航程信息，采取分段补偿策略对Dubins路径中的直线段进行航程调整，将无人机航迹规划过程中时间一致性约束转化为定航程问题，使得多无人机航程一致，并在航程调整后依然使得各架无人机保持直线段飞行方向，得到直线补偿段航迹表，依次拼接起始角度调整量对应的航迹表Tinitial、直线补偿段航迹表Tmid、末角度调整量对应的航迹表Tfinal生成总航迹T，引导多无人机同时抵达目标位置，即实现多架无人机的时空一致性。2.如权利要求1所述的一种基于Dubins路径的航程调整无人机航迹规划方法，其特征在于：步骤二实现方法为，步骤2.1：建立无人机运动学模型；无人机的飞行速度为定值，则无人机的二维运动学模型为其中，(x,y)表示无人机的二维位置坐标；V表示无人机的飞行速度；u是无人机的航向角；步骤2.2：建立时间一致性约束模型；时间一致性约束要求无人机从起点抵达目标点的飞行时间的偏差在无人机飞行时间偏差限εt以内；由于航迹点不包括准确的时间信息，为了满足无人机时间一致性约束，根据无人机飞行航程计算得到每个航迹点对应的近似剩余飞行时间；以近似剩余飞行时间为基准，建立无人机的时间一致性约束模型；无人机的飞行航迹表示为：P＝{p1(x1,y1,t1),p2(x2,y2,t2),...,pm(xm,ym,tm),...,pn(xn,yn,tn)}(2)其中，P表示无人机的航迹点序列，n表示无人机的航迹所包含航迹点总数量；p1(x1,y1,t1)表示航迹中的第1个航迹点；p2(x2,y2,t2)表示航迹中的第2个航迹点；pm(xm,ym,tm)表示航迹P中的第m个航迹点；pn(xn,yn,tn)表示航迹P中的第n个航迹点；x1,y1表示第1个航迹点的x、y方向坐标；t1表示无人机第1个航点距离目标点的近似剩余飞行时间，x2,y2表示2CN113624237A权利要求书2/5页第2个航迹点的x、y方向坐标；t2表示无人机第2个航点距离目标点的近似剩余飞行时间；xm,ym表示第m个航迹点的x、y方向坐标；tm表示无人机第m个航点距离目标点的近似剩余飞行时间；xn,yn表示