基于数字地形平滑和人工势场的无人机近地三维路径规划.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金青年项目()作者简介:朱熠()男博士助理研究员:.通信作者:田辉()男(苗族)博士讲师:.:./.基于数字地形平滑和人工势场的无人机近地三维路径规划朱 熠田 辉郝向宇史涵意马文峰王 聪(陆军工程大学 野战工程学院 南京)摘要:根据无人机在地形跟随和地形规避任务中的特殊要求提出了一种基于数字地形平滑技术的无人机三维飞行路径规划新方法 该方法包括以下 个步骤:第 步是通过访问 数字地形模型并设置安全高度、减少坡度和曲率等参数对数字地形进行平滑处理生成一个安全的飞行表面 第 步在所获得的安全飞行表面的基础上考虑了无人机的机动约束和威胁指标设计了一种改进的向量场方法来搜索从给定起点到指定目的地的最优飞行路径利用所设计三维路径规划仿真程序进行了仿真试验仿真结果表明所设计的路径规划方法可以在避开威胁源的情况下获得最佳的 飞行路径具有良好的可行性和有效性关键词:近地飞行 数字地形人工势场法三维路径规划本文引用格式:朱熠田辉郝向宇等.基于数字地形平滑和人工势场的无人机近地三维路径规划.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:).:引言通常来说路径规划的目的是生成一条最快、最简单的路径摆脱复杂地形、障碍物和威胁源等所有不利因素 然而当无人机在近地区域飞行时由于飞行任务可能对地形有所限制和要求如地形跟随()和地形回避()因此威胁因素仍在考虑之中此时三维路径规划的任务就变得艰巨而富有挑战性在处理近地区域三维路径规划问题时首先需要一个数字地形模型 以前地形模型通常由路径设计者自己创建现在有许多真实地图的数字模型可用 例如航天飞机地貌雷达任务()模型是最常用的模型之一 其所有数据覆盖了地球 以上的陆地表面 通过对 地形数据进行一些轻微的转换可以使用 软件进行编辑和处理 通过地形平滑方法可以生成安全飞行曲面 不少文献通过对飞行轨迹的优化以满足飞机的机动性和地形跟随的要求 在通过地形平滑生成安全飞行曲面后可以通过搜索算法获得最优飞行路径 关于无人机路径规划算法大多是基于搜索算法的改进和评估指标的优化 本文中提出一种基于数字地形平滑和人工势场法的三维路径规划方法该方法将地形平滑技术和向量场搜索相结合 仿真结果表明所设计的方法可以在安全飞行曲面上获得最优的三维路径 数字地形平滑.数字地形模型为获得数字地形模型采用 数字高程模型 下载 的 地形数据如图()所示 由于原始 地形非常大因此只选择了其中的一小部分如图()所示图 地形数据和所选定区域.使用 或 软件可以方便地编辑 地形数据 通过 地形数据可以从.格式转换为.格式.格式的文件可以在 软件中进行编辑.地形平滑处理无人机的飞行状态会受到其机动性能的影响这些性能主要包括最大爬升角、最小转弯半径、最大机动过载、飞行速度和飞行高度的限制 通过平滑地形模型并生成安全飞行面可以满足无人机机动性能的这些要求 在本节中提出了设置地面以上安全高度、减小坡度和减小曲率的设计思路)设置高于地面的安全高度 地面的隐蔽要求和防撞要求之间存在矛盾 为了实现平衡设置了地面以上的最低安全高度 当无人机飞得高于安全高度时飞机可以避免撞到地面 在飞行高度高于安全高度的情况下无人机可以最大限度地降低航迹的高度 在不同的地形中最低安全海拔是不同的:在海洋和平原地区安全海拔较低而在丘陵和山区安全海拔较高 一般情况下适宜的安全海拔为:的海域、的平原区和约 的丘陵区)降低坡度 在低空突防任务中无人机有一个最大爬升角的限制 如果前方有坡度大于最大爬升角的山峰或障碍物无人机需要提前爬升 否则将导致与山体或障碍物发生碰撞 因此需要对坡度较大的地形进行修改以满足无人机纵向飞行的约束 坡度约束由无人机的最大爬升角决定 最常用的方法是用无人机的最大爬升角代替原始地形的最大坡度 坡度降低方法如图 所示图 减小坡度.图 中 为描述高度信息的离散网格点()为对应的高程值 为网格间距 记坡度为 ()()/最大可飞坡度为 坡度处理逻辑为:()()()()最小转弯半径:描述的是无人机过载约束的能力在转弯过程中不考虑切向加速度因素则有:()式()中:为转弯半径 为无人机飞行速度 为滚转角由于无人机有最小飞行速度 而且有最大滚转角限制所以 有最小限制当规划的航迹的曲率大于该曲率时无人机受最大过载限制将不能准确跟踪航迹飞行因此路径的曲率半径必须大于无人机最小转弯半径 即约束表达式如下:()最大爬升/俯冲角:最大爬升/俯冲角的限制是产生的航迹在飞行控制系统能够允许的最大爬升/俯冲角内 假设最大爬升/俯冲角为 该约束可以这样表示:()最大飞行路径:对于燃油和飞行时间的限制飞行路径的总长度必须小于预设的最大距离 将飞行路径的最大长度设置为 这样该约束可以表示为()目标进入方向:对于困难任务的要求有时无人机需要从某个方向接近目标 这就是进入方向的约束.威胁评估指标飞行路径规划的评估指标设计为以下 种:)代价指标()()式()中:为威胁代价为高度代价为燃油代价是各代价指标所占的权重为一条航迹的代价值)威胁指标 ()()式()中:为第 段路径的长度罚值使得飞行长度满足要求 表示第 段路径的平均飞行高度使得飞行路线尽可能贴近地面尽可能的利用地形遮蔽能力 罚值表示飞行路径靠近已知危险的危险程度保证飞行器远离威胁区域()是权重系数 表示为:/()()式()中:为第 个威胁源的强度为飞行器距第 个威胁源的斜距为已知威胁的个数.最优路径搜索算法航迹生成的原理分成 步:首先在 平面内用路径搜索算法规划出能够规避威胁的最优二维路径然后根据第 节所得地形平滑后的安全曲面扩展出三维航路 故本节重点介绍 平面内的路径搜索算法)算法描述 算法采用人工势场法的基本思想其基本原理就是对所处障碍环境中每一点都赋一个势场值其值是目标点的引力和障碍点的斥力叠加之和 因此路径规划也就是从起始点沿着势场下降最快的方向到达目标点将威胁源看成“规避场”即每一个威胁障碍的位置原点都看作在产生一个排斥性的斥力场作用在即将路过的无人机上面 产生的斥力大小与它们之间距离的平方成反比平面内任意一点受到第 个威胁障碍的斥力计算公式为/()()()式()中:和 为平面中每个点的位置坐标和 为第 个威胁障碍的中心位置坐标 为加权参数 由于整个平面可以被有限个点离散化所有这些点收到的所有威胁场的总斥力就对应一张二维斥力表该表中数值在威胁障碍的边界内和威胁中心具有最大值这样的一个 网格点的斥力表格如表 所示表中数值为 的位置代表威胁场的核心区域表中数值的取值幅度根据不同权重的加权参数会有所变化但是不同网格点之间的差异趋势不变对于路径的目标点同样规划一个场这是一个吸引力场吸引力的大小正比于无人机和目标的距离其计算公式为 ()()()式()中:、为目标点的位置坐标 这个力同样对平兵 器 装 备 工 程 学 报:/./面中的点生成表格是一张二维引力表 设当无人机处于初始位置时引力达到最大值当无人机运行到目标点时引力达到最小值 这样的一个 网格点的引力表格如表 所示表中数值为 的是无人机初始位置即引力最大的点数值为 的是目标位置即引力最小的点)搜索过程 对斥力表和引力表进行合成可以生成一张合力表通过合力引导无人机运行出最优轨迹 具体步骤如下:步骤 将整个平面区域离散化成 的网格地图然后从第一个网格点 开始选取一个 的子图共包含 个网格元素步骤 计算这个 的子图中的 个元素相互之间的受力值选出所受合力最小的网格点步骤 进行解的摄动操作即以步骤 中所得的合力最小网格点为中心重新选取一个 的子图步骤 比较当前最小网格点的坐标与目标点是否相等如果相等则终止程序否则继续程序步骤 重复步骤步骤 直到完成所有 网格点)局部最优的处理 如果在第)步搜索过程中无人机进入了一个区域算出的当前最小合力网格点与上一步得出的网格点相同而且这个点不是目标点则搜索算法进入了一个局部最优循环中处理这个局部最优循环的方法是在这个点的位置增加一个高能量的威胁场然后重新开始第)步这样无人机就会避开这个区域表 网格点的单个威胁场斥力表 .表 网格点的目标点引力表 .朱 熠等:基于数字地形平滑和人工势场的无人机近地三维路径规划 三维路径规划仿真根据上节描述的路径搜索算法并参考文献中的仿真框架设计思路采用 软件设计了(图形用户界面)程序优化了程序界面布局和回调函数中的搜索算法改进后的程序能够直接导入.节生成的平滑后的安全飞行曲面 其中相关控件的名称和功能如表 所示表 仿真界面中各控件功能说明 控件名/控件类型显示字符功能/坐标轴系无显示三维航迹图/坐标轴系无显示等高线图/按钮“载入地形”载入三维平滑地形/按钮“新增威胁障碍”设置威胁障碍/按钮“输入目标位置”设置目标点/按钮“开始生成航路”运行搜索算法/文本框“障碍宽度”说明编辑框功能/编辑框“”设置障碍宽度 平滑后的数字地形及其等高线就显示在坐标轴系 和坐标轴系 中 在表 中所有控件的回调函数都已编码之后 程序就设计完成了路径规划结果分 个步骤如下:步骤 加载地图“载入地形”按钮是指加载平滑处理后的三维地形的地图如图 所示即包括平滑处理后的安全飞行曲面及其相应的等高线 在图 中 地形的轴的单位由之前的纬度()、经度()和米()转换而来图 在 界面中载入三维平滑地形.步骤 添加新威胁 点击界面中的“新增威胁障碍”按钮即可添加威胁源 在等高线的任意位置左键单击 次再单击鼠标右键即可完成一处威胁源的添加柱状威胁源将出现在三维地形和等高线中 在任意位置先后随机设置 个威胁源后得到如图 中所示的 排柱形威胁源图 设置威胁障碍.步骤 确定目标点 点击界面中的“输入目标位置”按钮 然后左键单击等高线图中威胁屏障外的任何位置就会显示一个红色的小圆圈作为标记步骤 开始搜索 点击界面中的“开始生成航路”按钮 程序开始运行依电脑计算性能不同等待约 后最佳飞行路径就出现在 地形图和等高线图中如图()所示在图()中在右侧的等高线图中绘制了一条蓝色星形线作为最佳路径 同时在左侧的 地形图中绘制了一条红线作为最佳路径 可以看出所设计的路径规划算法可以有效地避免威胁快速找到到达目标的最短路径并紧贴 安全飞行曲面之上飞行在图()中单独绘制出了规划好最优轨迹(图 中红色曲线)和搜索过程中形成的最优航点的连线(图 中蓝色曲线)显然最终的最优轨迹是在最优航点连线的基础上平滑处理之后得到的图 三维最优路径规划结果.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./结论本文中设计了一种无人机近地三维最优路径规划方法通过仿真实验可以得到以下结论:)通过真实地图的数字高程模型作为无人机近地路径规划的地形数据来源是一种简洁、可行的地形建模方法)通过考虑安全高度、减小坡度和曲率等因素对原始数字地形进行预处理可以有效的生成无人机的安全飞行曲面形成对复杂三维地形的路径预规划)所设计的 程序可以加载优化后的安全飞行曲面并通过最优算法避开威胁区域到达目标位置(其中威胁数量、威胁位置和目标位置可自由指定)获得最佳的飞行路径本文中设计的规划方法在安全飞行曲面的基础上可以避开特定的威胁获得最佳的飞行路径且满足无人机操纵性能的约束要求为无人机近地三维路径规划的设计与仿真提供了一种新的思路参考文献:.():.():.():.():.()():.():.():.().():.:.():.:.():.陆兴华明仲吴宏裕等.基于动态基元轨迹跟踪的无人机低空突防控制.国外电子测量技术():.():.():.():.():.:/().:.科学编辑 曹立佳 博士(四川轻化工大学 副教授)责任编辑 贺 柳朱 熠等:基于数字地形平滑和人工势场的无人机近地三维路径规划