[发明专利]一种旋翼无人直升机航线规划方法

权利要求书

1.一种旋翼无人直升机航线规划方法，其特征采用以下实现步骤：

(1)复杂威胁模型T_t，数学描述如下：

T_t(x，y)＝sin(y+Ca)+Cb*sin(x)+Cc*cos(cd*sqrt(x²+y²))+ce*cos(y)+Cf*sin(cg*sqrt(x²+y²)) (1)

上述公式中，T_t(x，y)表示模型投影在水平面上横坐标x和纵坐标y的地形威胁模型值，sin、cos、sqrt分别为求正弦、余弦及开方的函数，Ca、Cb、Cc、Cd、Ce、Cf、Cg皆为控制地形威胁模型的威胁值得常系数；

(2)计算安全飞行航线待选数据集B：

首先利用公式(2)～(4)得到横、纵坐标轴矢量Vx和Vy：

Vx＝xb：xid：xe  (2)

Vy＝yb：yid：ye  (3)

公式(2)～(3)中，xb、yb分别为横、纵坐标矢量Vx和Vy的初始值，xe、ye分别为横、纵坐标矢量Vx和Vy的终止值，xid、yid分别为横、纵坐标矢量Vx和Vy元素增量的步长值，冒号运算符(：)的作用为生成等间隔的矢量；

然后利用公式(4)～(5)得到x轴坐标矢量Vx和y轴坐标适量Vy离散矩阵Mx、My，并将Mx、My代入公式(1)计算出对应的地形威胁模型的离散矩阵MT：

[Mx，My]＝meshgrid(x，y)  (4)

MT＝T_t(Mx,My)  (5)

最后利用公式(6)～(14)计算无人机受合力情况下的运动轨迹点集合，得到安全飞行航线待选数据集B：

zmx＝max(T_t)*ones(size(T_t))+H_s  (6)

s＝zmx  (7)

a₀＝1/exp(abs(T_t(x，y))^β)  (8)

v＝v₀+a*dt  (9)

a＝a₀+k*v²/m  (10)

on＝s(end)  (12)

xn＝Mx,yn＝My  (13)

B＝[xn,yn,zn]  (14)

公式(4)～(11)中，H_s、zmx分别为最低安全飞行高度和地形威胁模型最大高度矩阵，单位为米，max、ones、size、exp分别为求最大值函数、生成单位矩阵函数、求矩阵维度函数及自然常数e为底的指数函数，s、β、v0、v、dt、a、k、m、γ分别表示最新位移、威胁度系数、初始速度、速度、时间间隔、加速度、阻力调整系数、质点质量和加速度调整系数，单位分别为米、无量纲、米/秒、米/秒、秒、米/秒²、无量纲、千克和无量纲，公式(12)～(14)中，xn、yn、zn分别表示安全飞行航线的航迹点集的x坐标、y坐标和z坐标，end表示最后一个元素，[]为矩阵符号；

(3)初步遴选全局最优飞行航线fpb：

[xb,yb]＝bufferm([psx pex]，[psy pey],d_bf,opt)  (15)

[in,on]＝inpolygon(xn，yn,xb,yb)  (16)

fpx＝xn(in),fpy＝yn(in),fpz＝zn(in)  (17)

fpb＝[fpx，fpy,fpz]  (18)

公式(15)～(16)中，xb、yb、psx、psy、pex、pey分别为缓冲区边界的横、纵坐标和规划航线起始点的横、纵坐标及终止点的横、纵坐标，bufferm、dbf、optf分别为产生缓冲区的函数、生成缓冲区的距离和选择生成内部或者外部缓冲区的参数，in、on分别表示位于最短航线缓冲区内部和边界上的地形威胁离散点集的遴选结果，in、on取值均为逻辑值1或者0，inpolygon表示判断点是否在多边形内部的函数；公式(17)～(18)中，fpb、fpx、fpy、fpz分别表示初步优选航线及航迹点集的x坐标、y坐标和z坐标；

(4)构建优化飞行航线集，生成最优航线fpn：

首先利用公式(19)～(23)利用新威胁模型最大影响边界对受影响的航线段进行选取，生成需要调整的航线段集合TB：

ps＝[psx；psy]  (19)

pe＝[pex；pey]  (20)

pin＝[xn；yn]  (21)

d＝min(d1，d2)  (22)

d1＝w1*abs(det([pe-ps，pin-ps]))^γ1+w2*zn(x，y)^γ3

d2＝w3*abs(det([pe-ps，pin-ps]))^γ2+w4*(zn(x，y)+zn(x+1，y)+zn(x，y+1))^γ4

w2＝1-w1，w4＝1-w3  (23)

公式(19)～(23)中，ps、pe、pin分别表示航线起始点的横纵坐标、终止点的横纵坐标和最短航线缓冲区内航迹点的横纵坐标，det、norm、abs分别为求行列式值的函数、搜索函数和求范数的函数，d、d1、d2分别为最短航线缓冲区内的航迹点到最短航线距离、侧重航程约束距离和侧重邻域威胁约束距离，w1、w2分别为侧重航程约束距离的航程限制权重和地形威胁权重，w3、w4分别为侧重邻域威胁约束的航程限制权重和地形威胁权重，γ1、γ2分别为侧重航程约束距离和侧重邻域威胁约束的航程计算指数，γ3、γ4分别为侧重航程约束距离和侧重邻域威胁约束的地形威胁权重指数；

利用公式(24)～(28)实现需要优化的航线的动态选择，生成新的航迹点集TBN：

[mv，mix]＝min(sum(dist(d)))  (24)

xl＝[psx fpx(mix)pex]  (25)

yk＝[psy fpy(mix)pey]  (26)

zl＝zn(xl，yl)  (27)

TBN＝[xl，yl，zl]  (28)

公式(24)～(28)中，dist，min，sum分别为求两点之间距离、最小值及求和的函数，mv、mix通过需要插入的航迹点集TB和初步优选航迹的距离最小值及其序号，获取需要插入航迹点集的最优位置，TBN、xl、yl、zl分别表示优选航迹点集及其x坐标、y坐标和z坐标；

(5)采用自适应3次B样条曲线方法优化初始最优航线，实现航线可飞行性优化。

利用公式(29)～(32)对最优航线点集pn计算得到光滑的飞行航线：

pn＝[xn yn zn]  (32)

公式(18)～(21)中，b0、b1、b2、b3分别0次、1次、2次和3次贝塞尔曲线参数，log₁₀、abs分别为求以10为底的对数函数和求解绝对值的函数，μ_i、u为第i个威胁自适应调整系数和基函数参数，m表示最优航线点集TBN内航迹点的个数，pn、xn、yn、zn分别表示经过光滑处理后的航线点集及其在x轴、y轴和z轴的坐标分量。