一种基于线性规划的实时动态航迹规划方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于线性规划的实时动态航迹规划方法，包括如下内容：在导航坐标系中，根据障碍物的形态特征坐标，获得障碍物边界坐标点所包含的坐标点集合；根据建立的离散时间模型，获得飞行器的动态参数约束集；基于障碍物边界坐标点所包含的坐标点集合以及飞行动态参数约束集，根据最优航迹目标函数，获得在导航坐标系中的航迹坐标点集，解决了现有技术中无法自动实现航迹规划的技术问题，进而实现了能够自动实现航迹规划的技术效果。
【专利说明】一种基于线性规划的实时动态航迹规划方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航迹规划【技术领域】，尤其涉及一种基于线性规划的实时动态航迹规划方法。
【背景技术】
[0002]近年来,无人直升机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)因为具有垂直起降、自主飞行等特点，适合代替人在危险、恶劣的环境中工作。使其运用不管是在军事方面还是民用方面都得到了空前的发展，这也是飞行器未来的一个发展趋势。无人直升机的一大特点就在于其无人驾驶，这就要求任务规划系统能够对无人直升机进行自主飞行控制。
[0003]航迹规划是无人机自主飞行的一项关键技术，它是在一定约束条件下(如飞行路径上的障碍物)，根据某个或者是某几个性能指标(如:时间最短，路程最短，燃油最省)，计算出从出发位置到终止位置的最优飞行轨迹。
[0004]由于无人机领域的发展，各类航迹规算法层出不穷，比如A*搜索算法、遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法、粒子群优化算法、基于势能函数的算法等等。
[0005]中国专利CN201210274571.5，基于稀疏A*算法和遗传算法的航迹规划方法，将SAS算法和遗传算法相结合进行航迹规划。一定程度减少了航迹规划计算量。中国专利CN201310478422.5基于故障网格设计航迹规划算法，采用分布式技术实现计算加速。中国专利CN201310228497.8基于蜂群协同觅食算法设计多无人机航迹规划方法，提升航迹规划的稳定性，提高了搜索效率。
[0006]然后前面的这些专利虽然大都满足了航迹规划的实时性，最优性等特点，但是缺乏使用性，具体在实际运用中操作复杂，繁琐。
[0007]中国专利CN201110458232.8通过鼠标从高清地图上点航点，然后再判断航迹的飞行性，根据航迹判断结果手动拖动航点改变航迹，不需要手动输入航点，操作方便，实用性强。但是其航迹是通过手动选取的，然后在判断可行性，不断的修改得到一条可飞航迹，这严格意义上来说不能算是自动航迹规划，航迹规划只给定起始点和目标点，自动计算出从起点到终点的一条最优可飞航迹。
[0008]因此，现有技术中飞行器存在无法自动实现航迹规划的技术问题。
【发明内容】
[0009]本申请实施例通过提供一种基于线性规划的实时航迹规划方法，解决了现有技术中无法自动实现航迹规划的技术问题，进而实现了能够自动实现航迹规划的技术效果。
[0010]本申请实施例提供了一种基于线性规划的实时动态航迹规划方法，包括如下内容:
[0011]S101.在导航坐标系中，根据障碍物的形态特征坐标，获得障碍物边界坐标点所包含的坐标点集合；
[0012]S102.根据建立的离散时间模型，获得飞行器的动态参数约束集；
[0013]S104.基于障碍物边界坐标点所包含的坐标点集合以及飞行动态参数约束集，根据最优航迹目标函数，获得在导航坐标系中的航迹坐标点集。
[0014]进一步地，在SlOl之前还有:
[0015]对障碍物边界坐标点所包含的坐标点集，离散时间模型以及动态参数约束集进行初始化。
[0016]进一步地，SlOl具体包括:
[0017]在导航坐标系中，根据障碍物的形态特征坐标，判断障碍物是否为线性障碍物；
[0018]若判断获得为线性障碍物时，根据线性障碍物的避障约束面所构成的区域，获取避障面所构成的区域坐标点集合；
[0019]若判断获得为柱形障碍物时，获取柱形障碍物边界坐标点所包含的坐标点集合。
[0020]进一步地，S102具体为:根据建立的离散时间模型，飞行器的速度门限值以及加速度门限值，获得飞行的速度约束集和加速度约束集。
[0021]进一步地，S103具体为:采用AMPL语言编写成可调用程序对最优航迹目标函数，障碍物边界坐标点所包含的坐标点集合以及飞行动态参数约束集求解，获得飞行器在导航坐标系中的航迹坐标点集。
[0022]进一步地，在S103之后还有:
[0023]对应导航坐标系建立三维航迹规划坐标系；
[0024]将导航坐标系中飞行器的起点坐标作为三维航迹规划坐标系中的原点；
[0025]对应导航坐标系中的航迹坐标点集，依次在三维航迹规划坐标系中标出飞行器的航迹最优点集。
[0026]本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点:
[0027]由于采用了在导航坐标系中，根据障碍物的形态特征坐标，获得障碍物边界坐标点包含的坐标点集合；然后，根据建立的离散时间模型，获得飞行器的动态参数约束集；基于障碍物边界坐标点所包含的坐标点集合以及飞行动态参数约束集，根据最优航迹目标，获得在导航坐标系中由起点到达终点的航迹坐标点集，所以，有效解决了现有技术中无法自动实现航迹规划的技术问题，进而实现了能够自动实现航迹规划的技术效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本发明实施例中基于线性规划的实时动态航迹规划方法的流程图；
[0029]图2a，图2b为本发明实施例中柱形障碍物的模型规划示意图和线性障碍物的模型规划示意图；
[0030]图3为本发明实施例中飞行器在线性障碍物的实际场景中的示意图；
[0031]图4为本发明实施例中航迹规划在导航地图上的效果示意图；
[0032]图5为本发明实施例中对应导航坐标系建立航迹规划坐标系的示意图。
【具体实施方式】
[0033]本申请实施例通过提供一种基于线性规划的实时动态航迹规划方法，解决了现有技术中无法自动实现航迹规划的技术问题，实现了能够自动实现航迹规划的技术效果。
[0034]为了解决上述无法自动实现航迹规划的技术问题，总体思路如下:
[0035]首先，在导航坐标系中，根据确定的障碍物的形态特征坐标，获得障碍物边界坐标所包含的坐标点集合；接着，根据建立的离散时间模型，获得飞行器的动态参数约束集?’最后，根据上述获得的障碍物边界坐标所包含的坐标点集合以及飞行器的动态参数约束集，以及最优航迹目标函数，从而获得在导航坐标系中的航迹坐标点集，从而有效实现了自动航迹规划的效果。
[0036]为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
[0037]如图1所示，本发明提出的一种基于线性规划的实时动态航迹规划方法，具体包括如下步骤:
[0038]S101，在导航坐标系中根据障碍物的形态特征坐标，获得障碍物边界坐标点所包含的坐标点集合；
[0039]S102，根据建立的离散时间模型，获得飞行器的动态参数约束集；
[0040]S103，基于障碍物边界坐标点所包含的坐标点集合以及飞行动态参数约束集，根据最优航迹目标函数，获得在导航坐标系中由起点到达终点的航迹坐标点集。
[0041]在具体的实施方式中，首先，在进行由起点到达终点的航迹规划之前，先对障碍物的信息以及飞行动态信息进行初始化，从而避免没有初始化所规划出现航迹并不是最优路径。
[0042]接着，对SlOl进行详细描述。
[0043]在SlOl中，通过检测障碍物的形态特征坐标，可以将障碍物分为两类，一类是线性障碍物，一类是柱形障碍物。
[0044]具体地，像建筑物、电力塔、树木等相对规则的障碍物抽象成多边形柱形障碍物；像电力线，墙等细长的不能从其下面穿过或旁边绕过的障碍物抽象成线性障碍物。
[0045]具体如图2a，图2b所示，根据在导航坐标系中的N边型的N个顶点的经度，纬度，高度信息，例如以顶面四边形为例，获取a、b、c、d四个点的经纬度以及高度hi，建立柱形障碍物数学模型，求出底面每条边的数学表达式:aiX+biy+Ci<0，I = 1...N;因此，柱形障碍物的边界点所包含的坐标点的集合如下:
[0046]满足aiX+bj+Ci ^ O
[0047]U a2x+b2y+c2 ^ O
[0048]......
[0049]U aNx+bNy+cN ( O
[0050]U z 彡 Zmin
[0051]U z ^ Zfflax
[0052]对于线性障碍物，如图3所示为线性障碍物的实际场景，通过设定两个可调参数，水平安全距离Dp和高度安全距离Dh，可以得到EF平行且距离为Dp两条水平安全线L1, L2以及垂直方向距离为Dh的垂直安全线L。过L、L1和L、L2确定两个约束面:
[0053]amx+bmy+cmz+dm = O, anx+bny+cnz+dn = O
[0054]线性障碍物的避障约束面所构成的区域坐标点集如下:
[0055]满足amx+bmy+cmz+dm 彡 O
[0056]U anx+bny+cnz+dn ^ O
[0057]为了满足混合线性规划的计算需求，将避障约束不等式间“或”的关系变成“与”的关系，采用Big-M方法并引入一组整数变量bk，避障约束可以表示为:
[0058]柱形障碍物:
[0059]
【权利要求】
1.一种基于线性规划的实时动态航迹规划方法，其特征在于，包括如下内容: 5101.在导航坐标系中，根据障碍物的形态特征坐标，获得障碍物边界坐标点所包含的坐标点集合； 5102.根据建立的离散时间模型，获得飞行器的动态参数约束集； S104.基于障碍物边界坐标点所包含的坐标点集合以及飞行动态参数约束集，根据最优航迹目标函数，获得在导航坐标系中的航迹坐标点集。
2.根据权利要求1所述的基于线性规划的实时动态航迹规划方法，其特征在于，在SlOl之前还有: 对障碍物边界坐标点所包含的坐标点集，离散时间模型以及动态参数约束集进行初始化。
3.根据权利要求1所述的基于线性规划的实时动态航迹规划方法，其特征在于，SlOl具体包括: 在导航坐标系中，根据障碍物的形态特征坐标，判断障碍物是否为线性障碍物； 若判断获得为线性障碍物时，根据线性障碍物的避障约束面所构成的区域，获取避障面所构成的区域坐标点集合； 若判断获得为柱形障碍物时，获取柱形障碍物边界坐标点所包含的坐标点集合。
4.根据权利要求1所述的基于线性规划的实时动态航迹规划方法，其特征在于，S102具体为:根据建立的离散时间模型，飞行器的速度门限值以及加速度门限值，获得飞行的速度约束集和加速度约束集。
5.根据权利要求1所述的基于线性规划的实时动态航迹规划方法，其特征在于，S103具体为:采用AMPL语言编写成可调用程序对最优航迹目标函数，障碍物边界坐标点所包含的坐标点集合以及飞行动态参数约束集求解，获得飞行器在导航坐标系中的航迹坐标点集。
6.根据权利要求5所述的基于线性规划的实时动态航迹规划方法，其特征在于，在S103之后还有: 对应导航坐标系建立三维航迹规划坐标系； 将导航坐标系中飞行器的起点坐标作为三维航迹规划坐标系中的原点； 对应导航坐标系中的航迹坐标点集，依次在三维航迹规划坐标系中标出飞行器的航迹最优点集。
【文档编号】G01C21/00GK104165627SQ201410429084
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】葛树志, 王刚, 周红坤, 王维, 钱杰, 韩东斐, 薛远奎 申请人:电子科技大学