[发明专利]一种基于流体力学的无人机三维航路生成方法

说明书

技术领域

本发明属于航路规划领域，具体地说是指一种基于流体力学的无人机三维航路生成方法。

背景技术

航路规划是影响无人机使用和飞行安全的关键技术，一直受到各方面的高度重视，经过几十年的研究和发展，取得了大量研究成果，为目前无人机的大发展奠定了基础。随着无人机的使用空域从中、高空不断向低空、甚至超低空的拓展，复杂地形下的无人机航路规划能力日益成为制约无人机发展的瓶颈。随着飞行高度的不断降低，地形的影响将成为航路规划需要考虑的重要因素，对于复杂地形情况还将成为关键因素。

目前见诸文献的航路规划方法有：基于图形的规划方法、决策型搜索方法、随机搜索方法和人工势场法等。这些航路规划方法通常处理的障碍数目较少且相对简单，但却需要复杂的网格或数据结构进行建模。三维航路规划方法相较于二维更复杂，许多方法在复杂地形条件下存在组合爆炸的问题，并不适合复杂地形下的无人机三维航路规划。

另一方面无人机自身具有一定的飞行性能约束，现有方法规划出的航路对于无人机的实际飞行存在困难。究其原因是航路不够光滑，没有考虑无人机约束。复杂地形条件约束下的无人机航路规划不但要考虑复杂地形对路径的约束，还要考虑地形对飞行安全的潜在影响，以及无人机自身的性能约束，并在垂直面内的地形跟踪和水平面的地形规避之间实现综合，最终规划出三维空间的可供无人机实际飞行的平滑航路。

人工势场法中的电荷法与流函数法分别利用了电磁理论和流体计算中的概念，并将其引入到航路规划中。虽然这两种方法能够快速的规划出相对平滑的航路，但是只能作为二维航路规划方法。如何能够在三维情况下，用一种简单的地形建模方法规划出相对平滑，又适合无人机飞行的三维航路是设计无人机航路规划系统时需要面对的一个问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于流体力学的无人机三维航路生成方法，通过该方法能够在地形较为复杂的情况下，快速的生成一条满足无人机约束的光滑三维避障飞行航路。

应用本发明提供的航路规划方法，首先计算出理想情况下沿X轴来流方向，位于原点的圆球障碍绕流流线，利用旋转平移矩阵得到XY平面中任意来流方向与任意障碍位置的绕流流线，根据障碍物间距离的不同采用两种方式将所有的流线合并成一条流线，之后根据无人机约束对三维流线进行处理得到无人机三维航路。具体包括如下步骤：

步骤一：单个障碍时，根据定常忽略粘性的不可压缩理想流体，沿空间直角坐标系X轴来流方向作用于位于原点的圆球障碍绕流问题的解析解，在该直角坐标系下求得流速沿X、Y和Z轴的分量；

定常忽略粘性的不可压缩理想流体沿X轴来流方向作用于位于原点的圆球障碍绕流问题，由于流体的运动存在对称性，描述为平面二维极坐标系下的扰流问题，对于空间中任意一点P，极坐标系建立在点P与X轴所构成的平面上，空间直角坐标系的坐标原点与平面二维极坐标系的极点重合，为点O，空间直角坐标系的X轴与平面二维极坐标系的极轴X′轴重合，在该极坐标系下流体的速度势为

其中OP与极轴之间的夹角为θ角，点P与点O的距离为|OP|＝r，V_∞为流体的流速，a为圆球障碍的半径，在空间直角坐标系下，P的坐标为(x,y,z)，用u、v和w代表三维情况下流速沿空间直角坐标系X、Y和Z轴的分量，则

步骤二：单个障碍时，采用解微分方程组方法，对流速沿X、Y和Z轴的分量所构成的速度势微分方程组进行求解计算，得到沿X轴来流方向的定常忽略粘性的不可压缩理想流体作用于位于原点的圆球障碍绕流流线；

步骤三：单个障碍时，利用旋转平移矩阵，使计算的流线适于空间直角坐标系下XY平面内任何来流方向，并且使多个障碍在空间直角坐标系下XY平面内任意分布，在直角坐标系的XY平面，流线的起点为(x₀,y₀)，终点为(x_c,y_c)，球心坐标为(x_r,y_r)，旋转平移矩阵的计算过程包括以下几个步骤：

(1)计算通过点(x₀,y₀)与点(x_c,y_c)的直线方程y＝k₁x+b₁；k₁为该直线的斜率，b₁为该直线在Y轴上的截距；