[发明专利]一种基于扰动流体动态系统的无人机三维航路规划方法

摘要

本发明公开了一种基于扰动流体动态系统的无人机三维航路规划方法，将包含敌方地面防空火力的复杂地形环境下无人机低空飞行三维航路规划问题抽象为流体避障中的三维流线求解问题。该方法不需要求解带有复杂边界条件的流体方程，直接构造由于障碍物扰动所产生的流场方程，计算量较小。具体包括以下步骤：（1）将无人机飞行区域中的地形障碍、敌方雷达以及地面火力威胁用圆柱、圆锥、圆球和平行六面体等规则几何体进行等效，得到这些几何体障碍物的位置和表面方程；（2）在目标点处设置点汇，得到无障碍物扰动情况下的流场流速；（3）在已知障碍物位置和障碍物表面方程的条件下，根据障碍物的不可穿透条件，构造由于障碍物扰动后的流场流速；（4）从起始点处对流场流速进行积分，得到从起始点到目标点的避障流线，将此流线作为无人机的飞行航路；（5）控制无人机沿规划航路飞行。

主权项

1.一种基于扰动流体动态系统的无人机三维航路规划方法，具体包括以下几个步骤：（1）将无人机飞行区域中的地形障碍、敌方雷达以及地面火力威胁用圆柱、圆锥、圆球和平行六面体进行等效，得到几何体障碍物的位置和曲面方程；地形障碍中：山峰设为圆锥，山脉设为平行六面体；地面火力威胁中：高炮火力威胁设为从发射点到射程高度的圆柱体，防空导弹系统的攻击区域设为由近边界到远边界的球体；敌方雷达设为以雷达所处位置为球心，扫瞄半径为半径的半球体；设定曲面方程为：Γ(x,y,z)=(x-x0a)2p+(y-y0b)2q+(z-z0c)2r=1---(10)]]>其中：x₀，y₀，z₀表示障碍物的中心点位置，常数a，b，c用于控制障碍物大小，当指数p＝q＝r＝1时，障碍物为圆球形；当p＝q＝1，r＞1时，障碍物近似为圆柱形；当p＝q＝1，r＜1时，障碍物近似为圆锥形；当p＞1，q＞1，r＞1时，障碍物近似为平行六面体形；（2）在目标点处设置点汇，假设目标点的坐标为原点，则汇的流场流速为：u(x,y,z)=[Cxx2+y2+z2Cyx2+y2+z2Czx2+y2+z2]T]]>其中：常数C表示汇的强度；（3）在已知障碍物形状和表面方程的条件下，构造障碍物扰动后的流场流速得到避障流场；K个障碍物扰动所产生的流场流速为：u‾M(x,y,z)=Σi=1Kωku‾kS(x,y,z)---(11)]]>ωk=Πi=1,i≠kK(Γi-1)(Γk-1)+(Γi-1)---(12)]]>其中：表示第k个障碍物单独存在时的流场流速，具体为：u‾kS(x,y,z)=Mk(x,y,z)u(x,y,z)---(6)]]>Mk(x,y,z)=2(I-1nTnnnT)---(7)]]>其中：I表示单位矩阵，（4）从起始点处对流场流速进行积分，得到从起始点到目标点的避障流线；（5）将计算得到的流线作为无人机的飞行航路。