[发明专利]一种基于Dubins路径和分支限界的无人机航迹实时规划方法

说明书

本发明涉及一种基于Dubins路径和分支限界的无人机航迹实时规划方法，属于航迹自主规划技术领域。本发明将Dubins路径与分支限界算法相结合，用于实时规划平面内无人机避开所有障碍的最短航迹。基于Dubins路径的航迹由于考虑了固定翼无人机的运动学约束，更加符合无人机的飞行特性。同时，本发明在航迹搜索树的扩展和遍历过程中，使用分支限界算法，既降低了存储消耗，又提升了航迹搜索树的遍历速度。相较于传统方法，本发明对航迹规划问题进行了工程可实现的简化，兼顾了航迹质量与规划速度，工程实用性强。

1.技术领域

本发明属于无人机航迹自主规划领域，具体涉及一种固定翼无人机全局航迹的实时规划方法。

2.技术背景

随着无人机智能化需求提升和硬件处理能力提高，无人机在线航迹规划成为必然趋势，必需找到一种可靠性高、实时性强、存储消耗低、工程实用性强的航迹规划算法。现有的无人机航迹规划方法存在两个问题：一是现有航迹规划方法得到的航迹往往由一系列航迹点组成，而无人机受机动能力的限制，在转弯时有一定的转弯半径，这种形式的航迹并不符合无人机的飞行特性，需要后续的轨迹优化；二是无人机航迹规划的复杂性和存储消耗随问题规模呈指数型增长，而无人机机载计算资源有限，现有的航迹规划方法难以实现实时规划，工程实用性较差。

3.发明内容

为了克服现有技术的不足，针对上述问题，本发明提供了一种基于Dubins路径和分支限界的无人机航迹实时规划方法。

本发明所采用的技术方案是：将Dubins路径与分支限界算法结合，用于求解平面内无人机避开所有障碍的最短航迹。在平面内，存在最大曲率限制的情况下，给定起始点和目标点的位置和速度方向，Dubins路径是由起始点到达目标点的最短路径(该最短路径的存在性最早由Dubins证明)。Dubins路径仅由圆弧段和直线段航迹组成，由于考虑了固定翼无人机的运动学约束，基于Dubins路径的航迹更加符合无人机的飞行特性。在航迹搜索树的扩展和遍历过程中，使用分支限界算法，修剪航迹搜索树，既降低存储消耗，又提升了航迹搜索树的遍历速度。同时在航迹避障方法上，采用了作几何切线的方法，既使规划出的航迹满足Dubins路径的要求，又降低了运算量。

在阐述航迹规划的过程时，本发明使用了一些具有特定内容和含义的概念，解释如下：

1)障碍、障碍圆与障碍群

无人机在飞行过程中受到本体性能约束和外界环境的约束。在二维平面内，对于本体性能约束我们只考虑由于侧向加速度限制造成的最小转弯半径约束，这个约束在航迹上表现为航迹曲率半径必须不小于最小转弯半径。外界环境约束主要考虑地形障碍、气象威胁和禁飞区等。本发明在处理这些约束时，统一把它们体现在一个个独立的圆或者一群群相互连接的连续圆中来处理。外部环境约束在二维平面上均表现为不可飞越的、某种形状的平面区域，这些平面区域可以用单个的圆或者一系列相互连接的圆来近似表示。本发明为了使航迹最短，所有的航迹均贴着这些圆形的边界，所以只要保证这些圆的半径不小于无人机的最小转弯半径，就可以满足无人机本体性能约束。因此，为叙述方便，默认转弯半径约束已满足，不再考虑。

如图1所示，该图为某一地区的数字高程地图。由于无人机在执行任务的绝大部分时间处于巡航状态，飞行高度基本保持在巡航高度，可以在巡航高度对高程地图进行截取，得到该高度的二维地图，将航迹规划问题由三维简化为二维。截取到的二维地图具有不规则的边界，这种地图不便于存储，也不利于后续的避障处理，需要进行预处理。预处理方法为：将二维地图中的地形障碍用一系列的圆近似表示。如图2所示，该图为对图1地图在某一高度进行截取，并进行处理后得到的近似地图。图2中的地形边界所包围区域均被单个圆，或者一群相互连接的圆代替，同时禁飞区和气象威胁通常具有一定的作用半径，也可以看作一定半径大小的圆，添加到该地图中。该地图就是后续进行航迹规划所使用的地图，在此约定：以后提到的障碍圆是指单个的、独立的障碍圆，障碍群是指一群相互连接的障碍圆，障碍是对障碍圆和障碍群的统称。

2)航迹搜索树