【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于無人機航線規(guī)劃領(lǐng)域，具體而言，涉及一種復(fù)雜地形下無人機航線規(guī)劃與飛行控制方法。
技術(shù)介紹
1、無人機航線規(guī)劃是指為無人機指定一條合理的飛行航線，使其能夠高效地完成特定的任務(wù)。這包括考慮到無人機的起飛點、目標(biāo)點、避障、能源消耗等因素，以確保飛行的安全性和效率，無人機航線規(guī)劃是一個復(fù)雜而多變的任務(wù)，需要綜合考慮多種因素，以確保飛行的成功和安全。使用先進的飛行控制系統(tǒng)和航線規(guī)劃算法可以幫助優(yōu)化無人機的航線規(guī)劃。
2、山區(qū)(尤其是高原山區(qū)地帶)地形起伏劇烈，短距離上高差變化尺度從數(shù)米到上百米不等，無人機在以上復(fù)雜地形進行掠地超低空任務(wù)飛行時，由于前飛速度大且高度跟蹤響應(yīng)有滯后，不一定有足夠的時間和空間用以及時調(diào)整飛行姿態(tài)和高度，給航線規(guī)劃和飛行控制帶來了巨大的安全挑戰(zhàn)。
3、無人機執(zhí)行超低空飛行任務(wù)時，在縱向高度控制通道一般采用基于高度誤差的閉環(huán)反饋控制方法，控制器公式如下：
4、θ＝f(hset-h)；
5、式中，θ為縱向高度通道輸出指令，hset為高度設(shè)定值，h為當(dāng)前高度反饋測量值，這里的高度為絕對高度或相對高度均可。
6、基于以上公式，當(dāng)前超低空飛行的技術(shù)方案大多采用針對反饋測量值h濾波的實時反饋控制方案：在路徑上，通過數(shù)字地圖路徑規(guī)劃或?qū)嵉乜辈欤x擇地表平坦或地勢變化較為緩慢的區(qū)域進行飛行，諸如海上、平原地帶、戈壁灘或山間河道，主動規(guī)避地形劇烈變化導(dǎo)致無人機急劇俯仰沉浮從而影響縱向控制穩(wěn)定性和飛行安全性的問題；在高度上，通過預(yù)先人工設(shè)定的一個或有限個期望的
7、現(xiàn)有的針對反饋測量值h濾波的實時反饋控制方案存在下述問題：
8、1、存在安全隱患。對地形采集數(shù)據(jù)進行濾波的同時，根據(jù)低通濾波器的特點將會濾除掉數(shù)據(jù)的局部峰值引起幅值衰減，這種方法雖然降低了高度起伏對縱向控制穩(wěn)定性的影響，但忽略了山地常見的諸如峰尖、峭石等尖銳突出點的地形細節(jié)，依然無法解決在地形起伏劇烈時的飛行安全性問題；
9、2、地形局限性較大。濾波器的平滑效果有限，對米級以下尺度地形起伏的平滑效果較好，難以平滑更大尺度的起伏。濾波器依然保留了地形起伏的大尺度趨勢特征，當(dāng)?shù)匦纹鸱兓俾食^高度控制器動態(tài)響應(yīng)能力范圍后，易引起縱向控制振蕩或由于控制滯后而未及時拉起高度導(dǎo)致撞山，因此仍然只能適應(yīng)于地形變化相對平緩的海上、平原地帶、戈壁灘或山間河道；
10、3、路徑代價增大。采用最優(yōu)路徑規(guī)劃方法或人工方法在地圖上搜索平緩連續(xù)路徑，意味著選擇區(qū)域受限且非最短路徑，將會導(dǎo)致飛行耗時變長、油耗增加等問題，同時不適用于指定路徑的飛行任務(wù)。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、針對以上缺陷，本專利技術(shù)提供了一種復(fù)雜地形下無人機航線規(guī)劃與飛行控制方法，包括無人機的航線規(guī)劃，所述航線規(guī)劃的具體步驟如下：
2、s1、確定飛行路徑；
3、s2、獲取地形高度數(shù)據(jù)；
4、s3、規(guī)劃航線，其中包括：
5、s3-1、求出合適的包絡(luò)線；
6、s3-2、找到路徑關(guān)鍵點；
7、s3-3、修正飛行路徑的高度；
8、s3-4、計算出航線高度；
9、s3-5、生成完整航線序列；
10、s3-6、將步驟s3-5生成的完整航線上傳至仿真系統(tǒng)中，進行仿真驗證；
11、還包括根據(jù)航線規(guī)劃下的無人機的飛行控制方法，所述飛行控制方法的具體步驟如下：
12、p1、使用機載組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的海拔高度參與絕對高度閉環(huán)控制；
13、p2、在飛行控制邏輯中將無線測距設(shè)備測得的相對地面高度設(shè)置用于高度過低特情的預(yù)警判斷輸入，當(dāng)測得的相對高度值低于設(shè)定的某一閾值后，無人機立即采取增大俯仰角指令進行爬升的措施快速拉起高度；
14、p3、通過航線規(guī)劃步驟中的s3-5得到的航線序列，將高度控制器的輸入設(shè)置為時變的斜坡信號，計算出實時的高度設(shè)定值，代入高度控制器中進行高度跟蹤，實現(xiàn)高度斜坡飛行。
15、進一步地，所述步驟s1中的飛行路徑通過外部任務(wù)輸入，獲取復(fù)雜地形下飛行路徑上關(guān)鍵點位的經(jīng)緯度坐標(biāo)，兩兩按序依次連線來構(gòu)成。
16、進一步地，所述步驟s2中的地形高度數(shù)據(jù)通過步驟s1中確定的飛行路徑的各點坐標(biāo)來獲取。
17、進一步地，所述步驟s2中的地形高度數(shù)據(jù)通過開源的地理信息數(shù)據(jù)庫獲得包含飛行路徑上所有點在內(nèi)的分辨率不低于3"的數(shù)字高程圖塊，再通過線性插值法求出路徑上的地形高度來獲取，或者通過放飛一架無人機沿飛行路徑在安全高度上定高飛行，且利用攜帶的無線測距設(shè)備測量下方相對地面高度，最后由飛行高度減去相對高度得到飛行路徑下方的地形高度來獲取。
18、進一步地，所述步驟s3-1中的包絡(luò)線根據(jù)步驟s2中獲得的地形高度數(shù)據(jù)繪制地形高度曲線，再根據(jù)地形高度曲線通過matlab的envelope函數(shù)求出。
19、進一步地，所述步驟s3-2中的路徑關(guān)鍵點通過找出包絡(luò)線高度值低于原始地形高度的異常點序列集，再篩選出期望路徑關(guān)鍵點序列集得出。
20、進一步地，所述步驟s3-3中修正飛行路徑的高度包括利用matlab中的interp1函數(shù)將步驟s3-2中獲得的關(guān)鍵點序列集，以線性插值形式密集離散路徑關(guān)鍵點序列集中相鄰兩點之間的連線，以及對路徑關(guān)鍵點序列集中的地形高度值進行修正。
21、進一步地，所述步驟s3-4中的航線高度根據(jù)步驟s3-3中修正后的路徑關(guān)鍵點序列集生成的飛行路徑點序列集來計算得出。
22、進一步地，所述步驟s3-5中完整航線序列通過在步驟s3-4中生成的飛行路徑點序列集基礎(chǔ)上添加起飛段、回收段以及過渡段的航點信息來生成。
23、本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：
24、1、可以任意選擇飛行路徑，即無需在地圖上預(yù)先尋找最優(yōu)路徑，可選擇最短路徑或任意指定的路徑，在獲取到路徑上地形高度數(shù)據(jù)后按本專利技術(shù)方法進行航線規(guī)劃，即可用于飛行；
25、2、兼顧超低空飛行的同時保證飛行的安全，使用求取包絡(luò)線的方法對地形特征進行了取舍，可根據(jù)飛行任務(wù)需求，調(diào)節(jié)包絡(luò)線參數(shù)np以對地形特征權(quán)衡平滑，忽略不利的局部細節(jié)特征，保留大致的地形走勢特征，如此，既能保證超低空仿地飛行的要求，又能避免劇烈起伏的地形跟隨對飛行穩(wěn)定與安全的威脅。
26、3、降低對無線測距設(shè)備的依賴性。通過預(yù)先規(guī)劃的航線確定無人機飛行所需的位置期望信息，如經(jīng)度、緯度、海拔高，其中海拔高為絕對高度，與無人機的高精度組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的實測海拔高形成高度通道閉環(huán)控制，無需關(guān)心飛行時與山體或地面之間的相對高度，機載無線測距設(shè)備測得的相對高度數(shù)據(jù)僅供高度過低預(yù)警使用。
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1.一種復(fù)雜地形下無人機航線規(guī)劃與飛行控制方法，包括無人機的航線規(guī)劃，所述航線規(guī)劃的具體步驟如下：
2.如權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜地形下無人機航線規(guī)劃與飛行控制方法，其特征在于：所述步驟S1中的飛行路徑通過外部任務(wù)輸入，獲取復(fù)雜地形下飛行路徑上關(guān)鍵點位的經(jīng)緯度坐標(biāo)，兩兩按序依次連線來構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜地形下無人機航線規(guī)劃與飛行控制方法，其特征在于：所述步驟S2中的地形高度數(shù)據(jù)通過步驟S1中確定的飛行路徑的各點坐標(biāo)來獲取。
4.如權(quán)利要求3所述的一種復(fù)雜地形下無人機航線規(guī)劃與飛行控制方法，其特征在于：所述步驟S2中的地形高度數(shù)據(jù)通過開源的地理信息數(shù)據(jù)庫獲得包含飛行路徑上所有點在內(nèi)的分辨率不低于3"的數(shù)字高程圖塊，再通過線性插值法求出路徑上的地形高度來獲取，或者通過放飛一架次無人機沿飛行路徑在安全高度上定高飛行，且利用攜帶的無線測距設(shè)備測量下方相對地面高度，最后由飛行高度減去相對高度得到飛行路徑下方的地形高度來獲取。
5.如權(quán)利要求4所述的一種復(fù)雜地形下無人機航線規(guī)劃與飛行控制方法，其特征在于：所述步驟S3-1中的包
6.如權(quán)利要求5所述的一種復(fù)雜地形下無人機航線規(guī)劃與飛行控制方法，其特征在于：所述步驟S3-2中的路徑關(guān)鍵點通過找出包絡(luò)線高度值低于原始地形高度的異常點序列集，再篩選出期望路徑關(guān)鍵點序列集得出。
7.如權(quán)利要求6所述的一種復(fù)雜地形下無人機航線規(guī)劃與飛行控制方法，其特征在于：所述步驟S3-3中修正飛行路徑的高度包括利用MATLAB中的interp1函數(shù)將步驟S3-2中獲得的關(guān)鍵點序列集，以線性插值形式密集離散路徑關(guān)鍵點序列集中相鄰兩點之間的連線，以及對路徑關(guān)鍵點序列集中的地形高度值進行修正。
8.如權(quán)利要求7所述的一種復(fù)雜地形下無人機航線規(guī)劃與飛行控制方法，其特征在于：所述步驟S3-4中的航線高度根據(jù)步驟S3-3中修正后的路徑關(guān)鍵點序列集生成的飛行路徑點序列集來計算得出。
9.如權(quán)利要求8所述的一種復(fù)雜地形下無人機航線規(guī)劃與飛行控制方法，其特征在于：所述步驟S3-5中完整航線序列通過在步驟S3-4中生成的飛行路徑點序列集基礎(chǔ)上添加起飛段、回收段以及過渡段的航點信息來生成。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種復(fù)雜地形下無人機航線規(guī)劃與飛行控制方法，包括無人機的航線規(guī)劃，所述航線規(guī)劃的具體步驟如下：
2.如權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜地形下無人機航線規(guī)劃與飛行控制方法，其特征在于：所述步驟s1中的飛行路徑通過外部任務(wù)輸入，獲取復(fù)雜地形下飛行路徑上關(guān)鍵點位的經(jīng)緯度坐標(biāo)，兩兩按序依次連線來構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1所述的一種復(fù)雜地形下無人機航線規(guī)劃與飛行控制方法，其特征在于：所述步驟s2中的地形高度數(shù)據(jù)通過步驟s1中確定的飛行路徑的各點坐標(biāo)來獲取。
4.如權(quán)利要求3所述的一種復(fù)雜地形下無人機航線規(guī)劃與飛行控制方法，其特征在于：所述步驟s2中的地形高度數(shù)據(jù)通過開源的地理信息數(shù)據(jù)庫獲得包含飛行路徑上所有點在內(nèi)的分辨率不低于3"的數(shù)字高程圖塊，再通過線性插值法求出路徑上的地形高度來獲取，或者通過放飛一架次無人機沿飛行路徑在安全高度上定高飛行，且利用攜帶的無線測距設(shè)備測量下方相對地面高度，最后由飛行高度減去相對高度得到飛行路徑下方的地形高度來獲取。
5.如權(quán)利要求4所述的一種復(fù)雜地形下無人機航線規(guī)劃與飛行控制方法，其特征在于：所述步驟s3-1中的包絡(luò)線根據(jù)步驟s2中獲得的地形...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：林成浩，周堯明，別大衛(wèi)，
申請(專利權(quán))人：天目山實驗室，
類型：發(fā)明
國別省市：
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