[发明专利]一种基于Bezier曲线的固定翼无人机航迹优化方法

说明书

本发明公开了一种基于Bezier曲线的固定翼无人机航迹优化方法。和基于常曲率圆弧的Dubins曲线航迹优化算法相比，该方法可以通过改变Bezier控制点从几何上调整航迹形状，并且具有参数化的表达式，在选取控制点时加入无人机安全曲率约束，使航迹满足曲率约束的同时保持航迹曲率的连续性。另外设计了二平分角法，减小了控制点求取的复杂度，具有极高的工程实用价值。

技术领域

本发明涉及一种无人机航迹优化的算法设计，优化后的航迹满足无人机机动性约束，为航迹跟踪提供了有效的参考航迹，具体涉及基于Bezier曲线的航迹优化技术，属于航空器航迹优化技术领域。

背景技术

目前，通过航点规划器生成的目标航点序列，两两直线相连可以得到由直线段组成的多边形航迹。受动力学限制，无人机无法在两条直线航段之间完成急转弯，必须进行平滑过渡飞行。航迹优化技术解决了航迹的可飞性问题，优化后的航迹满足连续性和安全性约束。

大部分的固定翼无人机均采用标准圆弧进行航段之间的过渡转弯，得到Dubins目标航迹。该方式可利用Dubins曲线常曲率圆弧来约束无人机协调转弯时的滚转角，使航迹满足无人机机动约束。其优点是计算简单，设计过程简便，工程上易于实现，缺点是Dubins航迹在直线段与圆弧段过渡时，航迹曲率变化不连续。曲率的变化与侧向加速度制导指令直接相关，在航段切换时侧向加速度指令会发生突变。由于无人机指令响应速度有限，实际侧向加速度无法骤变，因而会产生较大的航迹跟踪误差。Bezier曲线可以通过改变控制点从几何上调整航迹形状，并且具有参数化的表达式，在选取控制点时加入无人机安全曲率约束，使航迹满足曲率约束的同时保持航迹曲率的连续性，本发明正是在此背景下产生的。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于实现目标航点序列的航迹优化，使航迹满足无人机安全曲率约束的同时，航迹曲率连续，航段平缓光滑过渡，为无人机提供高精度的航迹跟踪参考。

技术方案：

一种基于Bezier曲线的固定翼无人机航迹优化方法，所述航迹是一组包含(n+1)个航点的目标航点序列，(n+1)个航点构成n个Bezier航段，第i个航点W_i和第i+1个航点W_i+1构成第i个航段，i＝0,1,…,n；

该航迹优化方法根据不同的航段过渡策略，求出满足无人机安全曲率约束的过渡距离，得到各个Bezier控制点，最终确定Bezier航迹曲线，实现航迹优化，具体为：

1)采用提前转弯法作为航段过渡策略

①定距离法：通过第i和(i+1)个航段之间的夹角和给定的无人机安全曲率约束，求出W_i和W_i+1之间的安全过渡距离将d_κ(i)作为W_i和W_i+1之间的实际过渡距离d_fit(i)；其中γ是向量和的夹角，c₁＝7.2364，κ_safe为无人机的安全曲率；

②交互距离法：

a)定义约束因子factor为d_W(n-1)、这四个约束项参数中的最小值；其中，d_W(n-1)为W_n-1和W_n之间的距离，d_κ(n-2)为W_n-2和W_n-1之间的安全过渡距离，d_left(n-2)为W_n-2和W_n-1之间的距离裕度，d_κ(n-3)为W_n-3和W_n-2之间的安全过渡距离，d_left(n-3)为W_n-3和W_n-2之间的距离裕度；