[发明专利]一种基于安全调运走廊的航母舰载机甲板滑行轨迹规划方法

说明书

一种基于安全调运走廊的航母舰载机甲板滑行轨迹规划方法，1)根据调运需求、舰载机运动特性，初步构建最优控制问题；2)利用双圆策略完成避障约束的保守转化；3)根据甲板形状与障碍分布完成甲板地图的栅格化；4)利用混合A*算法，基于栅格地图规划一条粗糙的调运路径；5)基于最优速度‑时间匹配原则，对前述的粗糙调运路径进行重采样；6)根据重采样结果与甲板栅格地图信息，构造安全调运走廊；7)基于安全调运走廊、舰载机运动约束与调运任务需求，建立最终的最优控制问题并实施求解。本发明为通过引入安全调运走廊的概念，实现了对复杂避障约束条件的保守转化，最终求解的最优控制问题中，避障约束的数目与甲板上障碍物数目无关，极大的简化问题的求解难度，保证舰载机甲板调运路径的高效可靠生成。

技术领域

本发明属于舰载武器装备保障技术领域，涉及一种基于安全调运走廊的航母舰载机甲板滑行轨迹规划方法。

背景技术

传统航母舰载机甲板调运路径规划依赖于人工方法。当舰面环境复杂时，人工规划难以保证规划的效率与安全性。近年来，基于最优控制的调运轨迹规划方法引发了广泛的关注，然而真实舰面环境上具有众多的障碍，且每个障碍可能具有复杂的形状。因此，传统一对一的障碍描述方法，一方面难以实现避障约束的高效描述，另一方面在障碍数目较大时难以进行可靠的求解。为此，必须提出面向甲板调运轨迹规划的高效能最优控制描述与求解框架，以适应日益复杂的舰面调运需求。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于安全调运走廊的航母舰载机甲板滑行轨迹规划方法。在所提出的方法中，采用了一种三阶段的复合型规划策略。首先使用混合A*算法生成一条粗糙的调运路径，该路径满足简单的运动学约束，能够提供高质量的调运轨迹拓扑。然后，对得到的粗糙轨迹进行重采样，并据此生成安全调运走廊。利用安全调运走廊实现对避障约束的保守、高效近似，实现复杂甲板环境下不依赖于障碍数目的最优控制问题列式。通过求解该问题，得到满足运动方程与避障条件的滑行轨迹。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于安全调运走廊的航母舰载机甲板滑行轨迹规划方法，第一，根据调运需求、舰载机运动特性，初步构建最优控制问题；第二，利用双圆策略完成避障约束的保守转化；第三，根据甲板形状与障碍分布完成甲板地图的栅格化；第四，利用混合A*算法，基于栅格地图规划一条粗糙的调运路径；第五，基于最优速度-时间匹配原则，对前述的粗糙调运路径进行重采样；第六，根据重采样结果与甲板栅格地图信息，构造安全调运走廊；第七，基于安全调运走廊、舰载机运动约束与调运任务需求，建立最终的最优控制问题并实施求解。

包括以下步骤：

步骤1：根据调运需求、舰载机运动特性，初步构建最优控制问题

步骤1-1：描述舰载机运动学方程

舰载机在舰面低速滑行时，其运动可以使用经典的自行车模型描述。记舰载机后轮中心为G(x,y)并且滑行速度为v。舰载机的朝向角与前轮比较分别记作θ和不妨使用一个最小包络矩形代表舰载机的外轮廓(如图2)，记矩形宽度为b，长度为L＝L_r+L_w+L_f，其中L_r、L_w和L_f分别为舰载机后轮到矩形后边距离、舰载机前后轮间纵向距离、舰载机前轮到矩形前边距离。系统的输入为u＝[a,ω]^T，其中，a为舰载机加速度，ω为前轮转向角加速度。当选取系统状态空间为时，可以使用如下的微分方程描述：

此外，考虑舰载机运动过程中如下的约束条件：

v_min≤v≤v_max     (2)