CN110162095A - 一种威胁环境下的无人机快速返航方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种威胁环境下的无人机快速返航方法，当无人机收到返航指令时，判断无人机当前位置与出发点的连线在水平方向的投影是否穿过威胁区域，如果穿过则按照航点序号顺序继续判断下一个航程点。即按照航点顺序，依次判断由无人机位置到航程点的连线在水平方向的投影是否穿过威胁区域，直到无人机能安全通过时，由无人机先飞往该航程点，再继续判断完成返航。是否穿过威胁区域根据线段相交判断，而线段相交采用跨立方法判断，即如果两条线段相交，那么必须跨立。

Description

一种威胁环境下的无人机快速返航方法

技术领域

本发明属于无人机控制领域，具体涉及一种威胁环境下的无人机快速返航方法，主要应用在无人机自主返航过程中。

背景技术

在现代战争中，最能影响战局的无疑是制空权，而由于无人机具有价值低、安全性高、实用性强等优点，逐渐成为空战中的重要一员。而对无人机的主要要求便是执行任务的能力和快速、安全的返航能力，在复杂的威胁环境下(进入敌方雷达侦测范围以及高山地带等)，使得无人机能够安全快速的完成返航具有较大的实用意义。当无人机进入威胁区和链路失锁时或者收到返航指令自动进入返航模式时，需要导航程序控制无人机进行自主返航。通常的返航模式有沿着航线返航和直接返航两种方式，前者是逆着航程点由无人机当前位置返回起点，具有可靠性高、相对安全的优点，但返航航线段较长、飞行过程耗油量较高；后者是由无人机收到返航指令时所在的位置直接飞往起点，该模式具有航线距离短、油耗低的特点，但可能穿过威胁区域，造成人身财产的损失。为了解决上述两种返航方式的弊端，考虑在威胁环境下无人机的返航，提出了一种低油耗、返航快和安全性高的快速返航模式。

发明内容

要解决的技术问题

为了兼顾考虑无人机在威胁环境下返航的快速性和安全性，设计了一种基于威胁区域的无人机快速返航方法。

技术方案

一种威胁环境下的无人机快速返航方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：假定威胁区只有一个W1，由m个顶点构成，序号按顺序从1～m，对应坐标分别为W1(xw1,yw1)～Wn(xwn,ywn)；假设给定的航程点有n个，序号按顺序从1～n，水平方向坐标分别为X1(x1,y1)～Xn(xn,yn)；无人机返航时的坐标为P(x0,y0)；

步骤2：当无人机在任意位置收到返航指令时，按照航点顺序，依次判断由无人机水平位置P(x0,y0)到航程点水平方向投影点X1，X2，……，Xn的连线PXi是否穿过威胁区域W1，即PXi是否与威胁区域的各个边相交；

步骤3：首先令i＝1，j＝1，k＝2；

步骤4：判断线段PXi与威胁区某一条边所在线段WjWk是否相交，令：

u＝(xi-xwj)×(ywk-ywj)-(xwk-xwj)×(yi-ywj)；

v＝(x0-xwj)×(ywk-ywj)-(xwk-xwj)×(y0-ywj)；

w＝(xwj-xi)×(y0-yi)-(x0-xi)×(ywj-yi)；

z＝(xwk-xi)×(y0-yi)-(x0-xi)×(ywk-yi)；

如果u×v＜＝0&&w×z＜＝0，则线段PXi与WjWk相交，否则不相交；

步骤5：如果相交，i的值增加1，继续判断下一航程点；

步骤6：如果不相交，则继续判断PXi是否与威胁区的其他线段相交，i的值不变，令j++，k++；其中j最大值为m，当j取m时，k取1；继续执行步骤4；

步骤7：当判断线段PXi与威胁区的所有边WjWk都不相交时，无人机由当前位置直接飞往航程点i，到达i后继续按上述方法判定，直到回到起点；到达起点上空后进行圆盘旋，等待降落命令。

有益效果

本发明提出的一种威胁环境下的无人机返航方法，有益效果是：

1、安全性高；通过本设计能使无人机在返航途中通过切换返航时的航点规避威胁区域，提高了飞行的安全性；

2、经济性好；通过该设计能使无人机在规避威胁区的情况下尽可能快速的完成返航，降低了油耗；

3、适用性强；本设计适用于任何无人机的自主返航模式中。

附图说明

图1本发明算法流程图

图2本发明航程图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

首先，假定给定的威胁区是由多个平面坐标点组成的多边形区域且高度足够高，当无人机收到返航指令时，判断无人机当前位置与出发点的连线在水平方向的投影是否穿过威胁区域，如果穿过则按照航点序号顺序继续判断下一个航程点。即按照航点顺序，依次判断由无人机位置到航程点的连线在水平方向的投影是否穿过威胁区域，直到无人机能安全通过时，由无人机先飞往该航程点，再继续判断完成返航。是否穿过威胁区域根据线段相交判断，而线段相交采用跨立方法判断，即如果两条线段相交，那么必须跨立。快速返航控制算法流程图见图1，具体过程如下：

(1)假定威胁区只有一个W1，由m个顶点构成，序号按顺序从1～m,对应坐标分别为W1(xw1,yw1)～Wn(xwn,ywn)。假设给定的航程点有n个，序号按顺序从1～n,水平方向坐标分别为X1(x1,y1)～Xn(xn,yn)。无人机返航时的坐标为P(x0,y0)；

(2)当无人机在任意位置收到返航指令时，按照航点顺序，依次判断由无人机水平位置P(x0,y0)到航程点水平方向投影点X1,X2,...,Xn的连线PXi是否穿过威胁区域W1，即PXi是否与威胁区域的各个边相交；

(3)首先令i＝1，j＝1，k＝2；

(4)判断线段PXi与威胁区某一条边所在线段WjWk是否相交，令：

u＝(xi-xwj)×(ywk-ywj)-(xwk-xwj)×(yi-ywj)；

v＝(x0-xwj)×(ywk-ywj)-(xwk-xwj)×(y0-ywj)；

w＝(xwj-xi)×(y0-yi)-(x0-xi)×(ywj-yi)；

z＝(xwk-xi)×(y0-yi)-(x0-xi)×(ywk-yi)；

如果(u×v＜＝0&&w×z＜＝0),则线段PXi与WjWk相交，否则不相交；

(5)如果相交，i的值增加1，继续判断下一航程点；

(6)如果不相交，则继续判断PXi是否与威胁区的其他线段相交，i的值不变，令j++，k++；(j最大值为m，当j取m时，k取1)继续执行步骤(4)；

(7)当判断线段PXi与威胁区的所有边WjWk都不相交时，无人机由当前位置直接飞往航程点i，到达i后继续按上述方法判定，直到回到起点；到达起点上空后进行圆盘旋，等待降落命令。

本发明适用于无人机的返航过程，算法的流程如图1所示，当无人机收到返航指令时，首先置当前判定的威胁区为1，判定的返航点为1，导航系统装订的威胁区共有m个，上传的航点数共有n个。首先判断由无人机收到返航指令时的位置直接飞往航点1是否经过威胁区1，如果不经过，则继续判断是否通过威胁区2-m，如果均不经过则可以直接飞往航点1，完成返航。只要判断经过某一个威胁区，无人机就不能飞往航程点1，只能继续判断航程点2，以此类推，当判断到中间某航点t不穿过威胁区时，先飞往该航点，到达该航点后再继续从航点1开始判断，直到航点t-1，最终完成返航任务。

图2中给定的无人机航程点共有5个，无人机从航点1出发增序执行各个航点，到达航点5后返航。给定航线周围有两个威胁区域，当无人机从5点返航时，由于航点5到航点1的虚线穿过威胁区1，则无人机不能直接返回到航点1，继续判断航点2，从图可知，从航点5到航点2的虚线经过威胁区2，则不能飞往航点2，继续判断航点3可见不经过任一个威胁区，则先控制无人机飞往航点3，当到达航点3后，再判断直接飞往航点1是否经过威胁区，从图中可知不经过，则控制无人机从航点3直接飞往航点1，最终安全、快速的完成返航。

Claims (1)

1.一种威胁环境下的无人机快速返航方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：假定威胁区只有一个W1，由m个顶点构成，序号按顺序从1～m，对应坐标分别为W1(xw1,yw1)～Wn(xwn,ywn)；假设给定的航程点有n个，序号按顺序从1～n，水平方向坐标分别为X1(x1,y1)～Xn(xn,yn)；无人机返航时的坐标为P(x0,y0)；

步骤2：当无人机在任意位置收到返航指令时，按照航点顺序，依次判断由无人机水平位置P(x0,y0)到航程点水平方向投影点X1，X2，……，Xn的连线PXi是否穿过威胁区域W1，即PXi是否与威胁区域的各个边相交；

步骤3：首先令i＝1，j＝1，k＝2；

步骤4：判断线段PXi与威胁区某一条边所在线段WjWk是否相交，令：

u＝(xi-xwj)×(ywk-ywj)-(xwk-xwj)×(yi-ywj)；

v＝(x0-xwj)×(ywk-ywj)-(xwk-xwj)×(y0-ywj)；

w＝(xwj-xi)×(y0-yi)-(x0-xi)×(ywj-yi)；

z＝(xwk-xi)×(y0-yi)-(x0-xi)×(ywk-yi)；

如果u×v＜＝0&&w×z＜＝0，则线段PXi与WjWk相交，否则不相交；

步骤5：如果相交，i的值增加1，继续判断下一航程点；

步骤6：如果不相交，则继续判断PXi是否与威胁区的其他线段相交，i的值不变，令j++，k++；其中j最大值为m，当j取m时，k取1；继续执行步骤4；

步骤7：当判断线段PXi与威胁区的所有边WjWk都不相交时，无人机由当前位置直接飞往航程点i，到达i后继续按上述方法判定，直到回到起点；到达起点上空后进行圆盘旋，等待降落命令。