本發(fā)明屬于無人機(jī)航跡規(guī)劃領(lǐng)域，具體涉及一種能夠完全規(guī)避禁飛區(qū)的無人機(jī)航跡規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、無人機(jī)（unmanned?aerial?vehicle，uav）通常在廣闊的空域中執(zhí)行飛行任務(wù)，而低空空域相較于高空空域更容易受到山峰、丘陵等自然地形障礙的影響，可能還會(huì)受到禁飛區(qū)（no-fly-zones，nfzs）等人為設(shè)定的飛行限制。無人機(jī)禁飛區(qū)是指以特定地理位置或距離為界限劃定的禁止無人機(jī)進(jìn)行航線飛行的三維空間。在任務(wù)場(chǎng)景空間中禁飛區(qū)常被抽象為圓柱體表示以便于處理。在低空空域的航跡規(guī)劃中，無人機(jī)必須采取策略繞過禁飛區(qū)。

2、雖然已有的研究工作考慮了禁飛區(qū)避障規(guī)劃，但僅限于離散點(diǎn)處的禁飛區(qū)約束，忽略了相鄰點(diǎn)間飛行路徑潛藏的風(fēng)險(xiǎn)，這種不連續(xù)的航跡規(guī)劃方式可能會(huì)導(dǎo)致無人機(jī)誤入禁飛區(qū)，從而引發(fā)嚴(yán)重的飛行安全問題。因此，本發(fā)明提出一種創(chuàng)新性的無人機(jī)航跡規(guī)劃方法，旨在在低空空域中完全規(guī)避禁飛區(qū)（complete?avoidance?of?no-fly-zones）。該方法在時(shí)間離散化的基礎(chǔ)上，引入了連續(xù)的軌跡處理方式，從而在保障在飛行安全的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)航跡規(guī)劃的完全避障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種確保無人機(jī)完全規(guī)避禁飛區(qū)的航跡規(guī)劃方法；一方面，本發(fā)明采用了一系列直線段來逼近無人機(jī)的實(shí)際飛行軌跡，并判斷相鄰兩條直線段的交點(diǎn)是否位于禁飛區(qū)內(nèi)部，以此來判斷無人機(jī)是否進(jìn)入了禁飛區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行軌跡的精確控制，提高航跡規(guī)劃的精確度；另一方面，本發(fā)明對(duì)無人機(jī)的航跡進(jìn)行適度擴(kuò)展，使得無人機(jī)在面臨復(fù)雜飛行環(huán)境時(shí)能夠更穩(wěn)健地應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)，提高了飛行過程中的安全性和魯棒性。

2、本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

3、一種完全規(guī)避禁飛區(qū)的無人機(jī)航跡規(guī)劃方法，包含禁飛區(qū)下無人機(jī)航跡規(guī)劃方法的應(yīng)用場(chǎng)景，所述禁飛區(qū)下無人機(jī)航跡規(guī)劃方法的應(yīng)用場(chǎng)景包括禁飛區(qū)下無人機(jī)與終端用戶通信場(chǎng)景；

4、所述禁飛區(qū)下無人機(jī)與終端用戶通信環(huán)境包括終端用戶集合、稀疏分布且互不重疊的禁飛區(qū)集合以及無人機(jī)；終端用戶集合包括智能手機(jī)、移動(dòng)平板、無人駕駛車輛等終端設(shè)備；無人機(jī)作為空中平臺(tái)，輔助目標(biāo)用戶進(jìn)行通信；無人機(jī)需要與地面上每個(gè)終端用戶進(jìn)行通信，同時(shí)又要嚴(yán)格避開禁飛區(qū)；

5、具體包括如下步驟：

6、步驟1，構(gòu)建禁飛區(qū)下無人機(jī)與終端用戶通信系統(tǒng)模型，無人機(jī)飛行在用戶的上空，與地面上的每個(gè)用戶進(jìn)行通信，同時(shí)又要避開禁飛區(qū)，形成一條飛行軌跡；采用時(shí)間離散化的方法將無人機(jī)的飛行周期均勻劃分為若干個(gè)時(shí)隙，無人機(jī)坐標(biāo)能夠在當(dāng)前時(shí)隙下表示，并對(duì)禁飛區(qū)設(shè)定初步的約束條件；

7、步驟2，將兩個(gè)相鄰時(shí)隙之間的無人機(jī)飛行軌跡，按照相同的間隔，均勻劃分為若干部分；在每一個(gè)分割點(diǎn)上，對(duì)無人機(jī)飛行軌跡方程進(jìn)行一階泰勒展開，以此來逼近無人機(jī)的飛行路線；其中，每一個(gè)分割點(diǎn)包括起始點(diǎn)、終點(diǎn)以及中間等分點(diǎn)；

8、步驟3，每?jī)蓷l相鄰直線產(chǎn)生一個(gè)交點(diǎn)，為確保無人機(jī)在實(shí)際飛行過程中能夠完全避開禁飛區(qū)，增加一條約束條件；完成一個(gè)時(shí)隙的約束后，轉(zhuǎn)到下一個(gè)時(shí)隙，繼續(xù)約束，重復(fù)迭代，確保無人機(jī)的飛行軌跡在任何時(shí)刻都不會(huì)與禁飛區(qū)產(chǎn)生交集，從而實(shí)現(xiàn)完全規(guī)避禁飛區(qū)的目標(biāo)；

9、步驟4，構(gòu)建無人機(jī)航跡規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)，通過最小化目標(biāo)函數(shù)，最終得到滿足特定約束條件的無人機(jī)最優(yōu)飛行路徑。

10、作為本發(fā)明一種完全規(guī)避禁飛區(qū)的無人機(jī)航跡規(guī)劃方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟1中，通信系統(tǒng)模型的環(huán)境采用三維笛卡爾坐標(biāo)系，地面終端用戶保持靜止且均位于禁飛區(qū)之外；無人機(jī)飛行在一定的高度范圍并且需要與每位用戶進(jìn)行通信；將禁飛區(qū)抽象為圓柱體，高度無限高，稀疏分布且多個(gè)禁飛區(qū)互不重疊；設(shè)定一個(gè)初步的約束條件：要求在每個(gè)離散時(shí)隙所對(duì)應(yīng)的無人機(jī)坐標(biāo)位于禁飛區(qū)之外。

11、作為本發(fā)明一種完全規(guī)避禁飛區(qū)的無人機(jī)航跡規(guī)劃方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟1中，在步驟2中，選用直線段來對(duì)每個(gè)時(shí)隙內(nèi)的飛行軌跡進(jìn)行逼近；在每個(gè)分割點(diǎn)上考慮無人機(jī)的速度和加速度限制，確保這些參數(shù)在整個(gè)飛行過程中是連續(xù)且符合物理規(guī)律的。

12、作為本發(fā)明一種完全規(guī)避禁飛區(qū)的無人機(jī)航跡規(guī)劃方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟3中，新增的約束條件為：交點(diǎn)均位于禁飛區(qū)之外。

13、作為本發(fā)明一種完全規(guī)避禁飛區(qū)的無人機(jī)航跡規(guī)劃方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟1中，構(gòu)建禁飛區(qū)下無人機(jī)與終端用戶通信系統(tǒng)模型，具體包含如下：

14、1）系統(tǒng)模型：禁飛區(qū)下無人機(jī)與終端用戶通信系統(tǒng)環(huán)境包括智能手機(jī)、移動(dòng)平板、無人駕駛車輛終端用戶集合、稀疏分布且互不重疊的禁飛區(qū)集合以及無人機(jī)；無人機(jī)作為空中平臺(tái)，輔助目標(biāo)用戶進(jìn)行通信；無人機(jī)需要與地面上每個(gè)終端用戶進(jìn)行通信，同時(shí)又要嚴(yán)格避開禁飛區(qū)；

15、系統(tǒng)模型中有1個(gè)無人機(jī)，個(gè)用戶以及個(gè)稀疏分布的非重疊圓柱體nfzs；設(shè)個(gè)用戶均不在nfz內(nèi)；定義用戶集合為，禁飛區(qū)集合；設(shè)為一個(gè)飛行周期，將其等分為個(gè)時(shí)隙且時(shí)隙長(zhǎng)度為，記時(shí)隙集合為；基于三維笛卡爾坐標(biāo)系，用戶的坐標(biāo)可設(shè)置為；采用時(shí)間離散的方法表示出無人機(jī)在時(shí)隙下的坐標(biāo)，其中，和分別是允許無人機(jī)飛行的最小高度和最大高度；nfzs的中心水平坐標(biāo)和半徑分別表示為和；在每個(gè)時(shí)隙，無人機(jī)飛行速度為，加速度為，其中分別為三軸速度，分別為三軸加速度；無人機(jī)的坐標(biāo)表示為：

16、；

17、2）通信模型：無人機(jī)與用戶之間的歐氏距離表示為：；

18、由于無人機(jī)的飛行高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面終端用戶，所以忽略地面障礙物阻斷等原因而形成的非視距信道的影響，用戶與無人機(jī)之間的無線信道均為視距信道；無人機(jī)知曉地面用戶設(shè)備的位置信息，以此獲取它們之間的信道狀態(tài)信息；視無人機(jī)與用戶之間的無線信道為自由空間路徑損耗模型，其信道增益表示如下：；式中，為單位距離的信道功率增益；進(jìn)一步地，根據(jù)香農(nóng)公式，無人機(jī)與用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率表示為：；式中，代表通信帶寬，為用戶的恒定傳輸功率，為高斯噪聲功率。

19、作為本發(fā)明一種完全規(guī)避禁飛區(qū)的無人機(jī)航跡規(guī)劃方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟4中，構(gòu)建無人機(jī)航跡規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)，具體包含如下：

20、（1）最小化無人機(jī)的飛行路徑長(zhǎng)度，用于減少飛行時(shí)間和能量消耗；

21、（2）最小化飛行過程中的高度變化，用于維持飛行的平穩(wěn)性；

22、（3）最大化用戶傳輸速率和，用于提升通信效率和質(zhì)量；

23、其中，無人機(jī)飛行路徑長(zhǎng)度代價(jià)函數(shù)表示為：；

24、飛行高度變化代價(jià)函數(shù)表示為：；

25、用戶傳輸速率和函數(shù)表示為：；

26、無人機(jī)航跡規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)綜合表示為上述三個(gè)代價(jià)函數(shù)的加權(quán)和形式：；式中，分別為上述三種代價(jià)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)，用于平衡三個(gè)目標(biāo)之間的優(yōu)先級(jí)和相對(duì)重要性。

27、作為本發(fā)明一種完全規(guī)避禁飛區(qū)的無人機(jī)航跡規(guī)劃方法的進(jìn)一步優(yōu)選方案，在步驟4中，構(gòu)建約束條件，具體如下：

28、1）現(xiàn)有約束模型：無人機(jī)最大飛行速度和加速度分別為和，速度和加速度需要滿足以下約束：；在飛行過程中，無人機(jī)必須完全避開禁飛區(qū)nfz；現(xiàn)有時(shí)間離散化的方法僅能確保無人機(jī)在某些離散點(diǎn)處即和，不進(jìn)入nfz，用公式表示為：；并不能保證從過渡到時(shí)，每一處的飛行軌跡距離nfz的中心始終大于等于nfz的半徑，鑒于這一局限性，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化；

29、2）新增約束模型：將和之間無人機(jī)的實(shí)際飛行軌跡等分為份，得到個(gè)點(diǎn)，記為，其中對(duì)應(yīng)于起始點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于終點(diǎn)；無人機(jī)的飛行軌跡在每一個(gè)時(shí)隙內(nèi)呈現(xiàn)出拋物線這一典型的二次曲線特征且在時(shí)間上是連續(xù)變化的選用直線逼近的方法來近似其路徑；在這個(gè)點(diǎn)處對(duì)無人機(jī)飛行軌跡方程進(jìn)行一階泰勒展開：

30、；

31、得到條切線方程，其中即所在時(shí)隙的值，即相應(yīng)時(shí)隙的值；由于是關(guān)于的參數(shù)方程，對(duì)于通過鏈?zhǔn)椒▌t來求出；切線方程構(gòu)成了對(duì)無人機(jī)實(shí)際飛行軌跡的分段線性逼近，每一逼近段均緊密貼合原軌跡在對(duì)應(yīng)區(qū)間的局部形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)整體軌跡的有效模擬；聯(lián)立相鄰兩條切線的切線方程：；求解出個(gè)交點(diǎn)，記為；為了實(shí)現(xiàn)完全規(guī)避禁飛區(qū)的目標(biāo)，增加一個(gè)新的約束條件，令這個(gè)交點(diǎn)均位于nfz之外，即滿足條件：；通過約束條件，實(shí)現(xiàn)這個(gè)時(shí)隙無人機(jī)完全規(guī)避nfz。

32、本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

33、本發(fā)明采用一種創(chuàng)新的無人機(jī)航跡規(guī)劃方法，以支持無人機(jī)在飛行過程中能夠絕對(duì)避免進(jìn)入任何禁飛區(qū)；采用多條直線來近似無人機(jī)的實(shí)際飛行軌跡，并計(jì)算相鄰兩條直線的交點(diǎn)距離禁飛區(qū)中心點(diǎn)的距離，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)飛行路徑的嚴(yán)格監(jiān)控與規(guī)劃，提高了航跡規(guī)劃的精確度以及無人機(jī)的飛行效率和任務(wù)執(zhí)行效果；

34、2、本發(fā)明增加了相鄰時(shí)隙之間對(duì)連續(xù)軌跡的約束，通過多條直線逼近和精確的交點(diǎn)計(jì)算，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的安全性和魯棒性。這些交點(diǎn)實(shí)際上是位于無人機(jī)飛行軌跡的延長(zhǎng)線上，并非直接位于軌跡之上，這為無人機(jī)提供了額外的安全裕量，即使在實(shí)際飛行中遇到輕微的風(fēng)速變化或飛行器的微小偏差，本發(fā)明仍然能夠保持較高的規(guī)避禁飛區(qū)的準(zhǔn)確性，有助于確保無人機(jī)在各種復(fù)雜環(huán)境下的安全飛行。