CN112198896A - 一种无人机多模式电子围栏自主飞行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空技术领域，具体为一种无人机多模式电子围栏自主飞行方法。设计了基于安全控制裕度的围栏延拓方案，对于任意的无人机初始状态，均能够保证在满足无人机自身性能约束及外界环境限制的前提下，实现对电子围栏的无碰撞规避；设计了基于任务充分性的绕飞模式，保证无人机在自主避让电子围栏过程中，飞行轨迹具备较好的可预测性及同任务的高匹配度，从而能够最大程度满足任务需求；设计了基于时间敏感性的通视模式，从高效、高安全的角度出发，在绕飞模式的基础上，择取最速路径，提高飞行效率。
Description
技术领域
本发明属于航空技术领域，具体为一种无人机多模式电子围栏自主飞行方法。
背景技术
在无人机系统的实际作战应用中，经常面临复杂的飞行空域约束条件，其主要来自于空管调度、他国边境线、地面火力威胁、外贸机型的入侵等多方原因，这里的空域约束就是电子围栏。
对于无人机来说，需要在执行任务过程中的任意阶段，确保自身飞行航迹处于电子围栏允许范围内。然而，因无人机飞行模式的多样性和任务临时性、随机性，大大增加了无人机位置的不确定程度，再加上无人机自身本体特性的限制以及任务需求的特殊性，对电子围栏的规避方式提出了更多的需求。
发明内容
无人机在飞行过程中，能够在满足无人机性能约束的前提下，实现对电子围栏的无碰撞规避，同时根据实际需要分别设计最大化完成任务需求及兼顾飞行效率的多模式飞行策略。
技术方案
一种无人机多模式电子围栏自主飞行方法，包括如下步骤：
步骤1、基于安全控制裕度的围栏延拓
1)电子围栏数学描述
根据电子围栏的用途，将其分为限制型和拒止型两种。其中，限制型表示无人机需确保航迹处于此类型电子围栏以内；拒止型，表示无人系统本次任务中需规避指定的禁飞区域。
2)安全边界延拓
电子围栏延拓，实际上是不规则多边形扩充/缩小的过程，本技术具体描述如下：
a)类型决定延拓方向，限制型向内延拓，拒止型向外延拓；
b)延拓过程基于矢量平移的思路，利用矢量运算解决几何问题，可大大简化计算步骤。
考虑到飞机执行任务的充分程度以及紧急情况下的飞行效率，分别设计了绕飞模式和通视模式；
步骤2、基于任务充分性的绕飞模式
绕飞模式，具体算法描述如下：
1)采用链表进行航路设计，初始航路链表中只包含两个节点：首节点和尾节点；
2)从第一个电子围栏开始，针对链表中的每两个连续节点，计算该两节点连线是否同该围栏有交点，若有交点，则计算连线同该围栏的起始交点；否则，计算下一个围栏；
3)以起始交点为起点，再次计算剩余连线同围栏的交点，直至求解到同该围栏的回归交点为止；
4)计算由起始交点分别沿顺/逆时针旋转至回归交点的距离，选取距离较短的路径；
5)将路径中的围栏拐点加入至航路链表中，形成新的航链；
6)以新的航链为基准，依如上2)-5)步骤依次对所有围栏进行计算，直至所有电子围栏均遍历一遍。
步骤3、基于时间敏感性的通视模式
通视模式是建立在绕飞模式的基础上，对航路链进行筛减，具体步骤如下：
1)计算绕飞模式航路链中节点个数，如果不大于3个航点，则算法结束，否则进入下一步；
2)从航链中第二个节点开始，暂时删除该节点，计算该删除节点前、后节点连线同所有电子围栏是否存在交点；
3)如果不存在交点，则确认删除前述节点，并后移一个节点；
4)如果存在交点，则计算前后节点连线的中点是否在所有电子围栏的禁止区域，如果在，则还原之前删除的节点，如果不在，则确认删除前述节点，并后移一个节点；
5)依如上2)-4)步骤依次对航链节点进行计算，直至航链结束。
进一步的，所述1中不规则多边形对其凹凸性不作限定。
进一步的，所述1中，安全边界延拓后，如果单个电子围栏出现了自相交的情形，则直接认为该电子围栏无效。
进一步的，上述步骤中自相交的方法如下：
1)从电子围栏首拐点开始，依次计算当前边线线段是否同该线段的非相邻线段存在交点；
2)如果存在交点，则该围栏存在自相交的情况；
3)在进行所有电子围栏拐点遍历后，不存在交点，则该围栏不存在自相交的情形。
进一步的，在所述的步骤1中如果不同电子围栏之间出现了相交的情形，需对电子围栏进行融合重组。
进一步的，上述步骤中，融合重组具体为：
基于“矢量游走”的交替编号方案，采用将视觉感知转化为理论计算的方法，
对多种复杂多边形融合进行总结归纳，具体步骤如下：
c1)选取两个多边形的合重心，并将两多边形中距合重心最远的拐点作为起始点
c2)从起始点沿所处多边形开始游走并同步编号，当游走至于另一多边形相交的交点时，则转移至另一多边形继续游走
c3)经过若干次转移之后，最终仍会返回起始点，同时融合完成。
进一步的，所述步骤2、步骤3中绕飞模式和通视模式，可通过地面站开关进行遥控选择。
进一步的，所述的线段与电子围栏交点计算方法具体包括
1)依次计算线段同电子围栏每一条边线线段是否有交点
2)如果有交点，计算所有交点
进一步的，所述步骤3中4)的禁止区域具体为：在所有电子围栏的允许区域以外。
技术效果
该技术已经在某型无人机上使用，通过仿真计算、虚拟飞行、机上在环试验证明，该方法能够进行高精度、高安全、自防错的在轨迹线动态规划及智能航路解析，保证无人机在任意状态及飞行模式下，都能够自动、有效避让禁飞区域，具有重要的军事及社会效益。
附图说明
图1是电子围栏的数学描述及安全边界延拓示意图；
图2是绕飞模式计算流程；
图3是绕飞模式航路规划示意图；
图4是通视模式计算流程；
图5是通视模式航路规划示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：无人机多模式电子围栏自主飞行方法，包括如下步骤(如图1所示)：
1、基于安全控制裕度的围栏延拓
1)电子围栏数学描述
由于无人机侦查或规避的区域的地形往往是随机且无规律的，本技术通过一系列不规则多边形来对电子围栏进行描述，并由多组经纬度序列依次构成封闭多边形的各个拐点。
根据电子围栏的用途，将其分为限制型和拒止型两种。其中，限制型表示无人机需确保航迹处于此类型电子围栏以内；拒止型，表示无人系统本次任务中需规避指定的禁飞区域。
2)安全边界延拓
为了防止无人机进入或飞出电子围栏边界，应考虑无人机紧急情况下的转弯调整带来的轨迹偏离，需结合无人机飞行速度、转弯能力、外界环境突变影响等因素，同时为动态航路规划提供更为确定的避让信息，对电子围栏进行一定距离的安全边界延拓。
电子围栏延拓，实际上是不规则多边形扩充/缩小的过程，本技术具体描述如下：
a)类型决定延拓方向，限制型向内延拓，拒止型向外延拓；
b)延拓过程基于矢量平移的思路，利用矢量运算解决几何问题，可大大简化计算步骤。
电子围栏的数学描述及安全边界延拓如图1所示。
考虑到飞机执行任务的充分程度以及紧急情况下的飞行效率，分别设计了绕飞模式和通视模式；
2、基于任务充分性的绕飞模式(如图2、图3所示)
当无人机目标航线同电子围栏发生冲突时，由于电子围栏数量往往较多，虽然可通过编号使其有序，但由于当前航线的位置、方向随机性大，从而导致穿越的围栏仍是无序且难以预知的，这些大大增加了航路规划的难度。
如果无人机需对航线上的多个电子围栏所标示的禁飞区域进行侦查时，则需充分地考虑航路同任务的匹配程度，同时轨迹要相对确定，且预测性要好。针对于此，本技术设计了绕飞模式，具体算法描述如下：
1)首先，由于在航路规划过程中，新生成的规避航路节点个数及相互位置关系会根据当前计算围栏的不同而发生改变，为了更好地反映这种航路变化的动态特性，同时兼顾运算效率，本技术采用链表进行航路设计，初始航路链表中只包含两个节点：首节点(上一航路点)和尾节点(目标航路点)；
2)从第一个电子围栏开始，针对链表中的每两个连续节点，计算该两节点连线是否同该围栏有交点，若有交点，则计算连线同该围栏的最近交点(起始交点)；否则，计算下一个围栏；
3)以起始交点为起点，再次计算剩余连线同围栏的交点，直至求解到同该围栏的最远交点(回归交点)为止；
4)计算由起始交点分别沿顺/逆时针旋转至回归交点的距离，选取距离较短的路径；
5)将路径中的围栏拐点加入至航路链表中，形成新的航链；
6)以新的航链为基准，依如上2)-5)步骤依次对所有围栏进行计算，直至所有电子围栏均遍历一遍。
绕飞模式算法实现流程及航路规划示意分别如图2、图3所示。
3、基于时间敏感性的通视模式(如图4、5所示)
无人机在空中飞行时，遇突发应急情况需尽快返航时，如果继续采用绕飞模式，可能会带来较长的时间损耗，因此，本技术设计了通视规划模式，可以大大提高飞行效率。
通视模式是建立在绕飞模式的基础上，对航路链进行筛减，具体步骤如下：
1)计算绕飞模式航路链中节点个数，如果不大于3个航点，则算法结束，否则进入下一步；
2)从航链中第二个节点开始，暂时删除该节点，计算该删除节点前、后节点连线同所有电子围栏是否存在交点；
3)如果不存在交点，则确认删除前述节点，并后移一个节点；
4)如果存在交点，则计算前后节点连线的中点是否在所有电子围栏的禁止区域，如果在，则还原之前删除的节点，如果不在，则确认删除前述节点，并后移一个节点；
5)依如上2)-4)步骤依次对航链节点进行计算，直至航链结束。
通视模式算法实现流程及航路规划示意分别如图4、图5所示。
所述1中不规则多边形对其凹凸性不作限定，可以保证该方法具有普遍适用性。
所述1中，安全边界延拓后，如果单个电子围栏出现了自相交的情形，则直接认为该电子围栏无效，可以有效防止出现“变态”围栏，导致航路规划时出现“局部陷阱”；
判断自相交的方法如下：
1)从电子围栏首拐点开始，依次计算当前边线线段是否同该线段的非相邻线段存在交点；
2)如果存在交点，则该围栏存在自相交的情况；
3)在进行所有电子围栏拐点遍历后，不存在交点，则该围栏不存在自相交的情形；
该方法简单直观，易于实现。
所述步骤2、步骤3中绕飞模式和通视模式，可通过地面站开关进行遥控选择。可以使飞行员根据飞机当前状态和外界情况，选择不同的飞行策略，保证飞行安全。
所述的线段与电子围栏交点计算方法具体包括：
1)依次计算线段同电子围栏每一条边线线段是否有交点
2)如果有交点，计算所有交点
该方法计算简单，同时考虑到后续需计算最近、最远交点，该方法可简化计算量。
所述步骤3总4)的禁止区域具体为：在所有电子围栏的允许区域以外，即限制型外部或拒止型内部，从而进一步计算该线段同所有电子围栏的关系。
在所述的步骤1)中如果不同电子围栏之间出现了相交的情形，需对电子围栏进行融合重组，防止在计算不同围栏时，相交部分出现重复计算，导致规划航路的奇异性，影响飞行安全。
进一步的，上述步骤中，融合重组具体为：
对电子围栏进行延拓后，可能会改变原不同区域之间的相对位置关系，如果两个延拓后的多边形出现相交，则需对延拓后的电子围栏进行信息融合。危及飞行安全！
多边形融合涉及计算几何学领域，并牵扯到极其错综复杂的点、线、面关系，极大的增加了设计难度。本项目设计了一种基于“矢量游走”的交替编号方案，采用将视觉感知转化为理论计算的方法，
对多种复杂多边形融合进行总结归纳，具体步骤如下：
c1)选取两个多边形的合重心，并将两多边形中距合重心最远的拐点作为起始点
c2)从起始点沿所处多边形开始游走并同步编号，当游走至于另一多边形相交的交点时，则转移至另一多边形继续游走；
c3)经过若干次转移之后，最终仍会返回起始点，同时融合完成。
设计了基于安全控制裕度的围栏延拓方案，对于任意的无人机初始状态，均能够保证在满足无人机自身性能约束及外界环境限制的前提下，实现对电子围栏的无碰撞规避；设计了基于任务充分性的绕飞模式，保证无人机在自主避让电子围栏过程中，飞行轨迹具备较好的可预测性及同任务的高匹配度，从而能够最大程度满足任务需求；设计了基于时间敏感性的通视模式，从高效、高安全的角度出发，在绕飞模式的基础上，择取最速路径，提高飞行效率。
Claims (9)
1.一种无人机多模式电子围栏自主飞行方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、基于安全控制裕度的围栏延拓
1)电子围栏数学描述
根据电子围栏的用途，将其分为限制型和拒止型两种；其中，限制型表示无人机需确保航迹处于此类型电子围栏以内；拒止型，表示无人系统本次任务中需规避指定的禁飞区域；
2)安全边界延拓
电子围栏延拓，是不规则多边形扩充/缩小的过程，具体描述如下：
a)类型决定延拓方向，限制型向内延拓，拒止型向外延拓；
b)延拓过程基于矢量平移的思路，利用矢量运算解决几何问题，简化计算步骤；
考虑到飞机执行任务的充分程度以及紧急情况下的飞行效率，分别设计了绕飞模式和通视模式；
步骤2、基于任务充分性的绕飞模式
绕飞模式，具体算法描述如下：
1)采用链表进行航路设计，初始航路链表中只包含两个节点：首节点和尾节点；
2)从第一个电子围栏开始，针对链表中的每两个连续节点，计算该两节点连线是否同该围栏有交点，若有交点，则计算连线同该围栏的起始交点；否则，计算下一个围栏；
3)以起始交点为起点，再次计算剩余连线同围栏的交点，直至求解到同该围栏的回归交点为止；
4)计算由起始交点分别沿顺/逆时针旋转至回归交点的距离，选取距离较短的路径；
5)将路径中的围栏拐点加入至航路链表中，形成新的航链；
6)以新的航链为基准，依如上2)-5)步骤依次对所有围栏进行计算，直至所有电子围栏均遍历一遍；
步骤3、基于时间敏感性的通视模式
通视模式是建立在绕飞模式的基础上，对航路链进行筛减，具体步骤如下：
1)计算绕飞模式航路链中节点个数，如果不大于3个航点，则算法结束，否则进入下一步；
2)从航链中第二个节点开始，暂时删除该节点，计算该删除节点前、后节点连线同所有电子围栏是否存在交点；
3)如果不存在交点，则确认删除前述节点，并后移一个节点；
4)如果存在交点，则计算前后节点连线的中点是否在所有电子围栏的禁止区域，如果在，则还原之前删除的节点，如果不在，则确认删除前述节点，并后移一个节点；
5)依如上2)-4)步骤依次对航链节点进行计算，直至航链结束。
2.根据权利要求1所述的一种无人机多模式电子围栏自主飞行方法，其特征在于，所述1中不规则多边形对其凹凸性不作限定。
3.根据权利要求1所述的一种无人机多模式电子围栏自主飞行方法，其特征在于，所述1中，安全边界延拓后，如果单个电子围栏出现了自相交的情形，则直接认为该电子围栏无效。
4.根据权利要求3所述的一种无人机多模式电子围栏自主飞行方法，其特征在于，上述步骤中自相交的方法如下：
1)从电子围栏首拐点开始，依次计算当前边线线段是否同该线段的非相邻线段存在交点；
2)如果存在交点，则该围栏存在自相交的情况；
3)在进行所有电子围栏拐点遍历后，不存在交点，则该围栏不存在自相交的情形。
5.根据权利要求1所述的一种无人机多模式电子围栏自主飞行方法，其特征在于，在所述的步骤1中如果不同电子围栏之间出现了相交的情形，需对电子围栏进行融合重组。
6.根据权利要求5所述的一种无人机多模式电子围栏自主飞行方法，其特征在于，融合重组具体为：
基于“矢量游走”的交替编号方案，采用将视觉感知转化为理论计算的方法，
对多种复杂多边形融合进行总结归纳，具体步骤如下：
c1)选取两个多边形的合重心，并将两多边形中距合重心最远的拐点作为起始点
c2)从起始点沿所处多边形开始游走并同步编号，当游走至于另一多边形相交的交点时，则转移至另一多边形继续游走
c3)经过若干次转移之后，最终仍会返回起始点，同时融合完成。
7.根据权利要求1所述的一种无人机多模式电子围栏自主飞行方法，其特征在于，所述步骤2、步骤3中绕飞模式和通视模式，通过地面站开关进行遥控选择。
8.根据权利要求1所述的一种无人机多模式电子围栏自主飞行方法，其特征在于，所述的线段与电子围栏交点计算方法具体包括：
1)依次计算线段同电子围栏每一条边线线段是否有交点
2)如果有交点，计算所有交点。
9.根据权利要求1所述的一种无人机多模式电子围栏自主飞行方法，其特征在于，所述步骤3中4)的禁止区域具体为：在所有电子围栏的允许区域以外。
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