CN112215399A - 一种机载动态电子围栏的高确定数据结构设计方法 - Google Patents

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王伟
唐勇
高慧琴
李千拯
陈中蓉
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Abstract

本发明属于航空技术领域，具体涉及到一种机载动态电子围栏的高确定数据结构设计方法。1)使用双向链表数据结构对电子围栏建模，解决不同类型电子围栏的算法互异性问题，降低建模复杂度；2)使用链表进行动态航路规划的设计，提高数据处理效率，且通过提前设置缓冲区，解决链表动态分配地址与机载的固定寻址的矛盾。该技术已经在某型无人机上使用，可有效支撑电子围栏建模及动态航路规划功能的设计与实现，同时大大降低代码量，并显著提高运算效率。通过仿真计算、虚拟飞行、机上在环试验证明，该技术可保证无人机电子围栏功能的正常、高效运行。

Description

一种机载动态电子围栏的高确定数据结构设计方法
技术领域
本发明属于航空技术领域，具体涉及到一种机载动态电子围栏的高确定数据结构设计方法。
背景技术
无人机电子围栏技术，可有效保证在实际作战应用中，使无人机具备自动避让禁飞区域的能力。由于禁飞区域的地形往往是随机、无规律的，因此，常常用一系列不规则的多边形来表示电子围栏。根据电子围栏的用途，一般有禁止飞出的限制型和禁止飞入的拒止型两种。
然而电子围栏的外形及拐点数目具有很大的不确定性且无规律，同时由于无人机空中位置的随机性及任务多样性，大大增加了动态航路规划过程中新航点序列的频繁变化及复杂程度，如果使用传统的数组进行处理，会大大降低数据处理效率。如何选取一种有效的数据结构对电子围栏进行高效计算和处理，成为首当其冲的问题。
发明内容
1、发明目的：
通过设计合理的数据结构，降低电子围栏建模及动态航路规划算法复杂度，提高计算效率。
2、发明技术解决方案：
1)使用双向链表数据结构对电子围栏建模，解决不同类型电子围栏的算法互异性问题，降低建模复杂度；
2)使用链表进行动态航路规划的设计，提高数据处理效率，且通过提前设置缓冲区，解决链表动态分配地址与机载的固定寻址的矛盾。
技术方案
一种机载动态电子围栏的高确定数据结构设计方法，包括以下步骤：
步骤1、选取双向链表数据结构对电子围栏建模
使用双向链表对电子围栏进行建模，并对限制型围栏进行逆时针建模，对拒止型围栏进行顺时针建模。其中，单个节点包含的元素如下：
1)单个围栏的经度坐标
2)单个围栏的纬度坐标
3)下一个节点地址
4)上一个节点地址
在对电子围栏进行一些功能扩展或者计算时，将需要计算或使用的数据加入单个节点中。
步骤2、使用链表进行航路规划的设计
使用链表来进行航路规划，对于每次生成的航点序列，仅需明确其前一个航点的位置以及后一个航点位置，即可将其插入至之前已生成的链表序列；
同时，本方法预先规划缓冲池，先将新产生的航路点依次放入缓冲池中，再根据航点之间的前后关系链接起来，生成新的航路链。
进一步的，在进行步骤1、步骤2前，需要提前对底层数据区进行预置，本技术将底层数据区划分为三个部分：
1)保留区，用于存储原始电子围栏，与任务预加载的保持一致；
2)综合区，用于存储经计算、处理后的综合电子围栏；
3)规划区，用于动态航路规划时航路链的存储。
如上步骤中，每个数据区大小均按照可能出现的最大数据容量的1.5倍进行预置。
进一步的，步骤1中，对电子围栏的功能扩展和计算，包括电子围栏的安全边界延拓和围栏信息融合。
如上步骤中，提到的电子围栏边界延拓，是对用于表示电子围栏的不规则多边形进行扩大或者缩小，可将延拓的距离和方向加入单个节点的数据元素。
进一步的，步骤1中，限制型与拒止型的算法互异性，具体为：
1)电子围栏延拓：延拓方向不同，限制型内缩，拒止型外扩
2)不同电子围栏融合：两个拒止型融合为求多边形并集，限制型与拒止型融合为求多边形交集。
进一步的，步骤2中，缓冲池可使用底层数据区的规划区代替。
进一步的，步骤2中，在进行航路规划前，需将规划区的数据清除，再进行新的航路规划计算。
技术效果
该技术已经在某型无人机上使用，可有效支撑电子围栏建模及动态航路规划功能的设计与实现，同时大大降低代码量，并显著提高运算效率。通过仿真计算、虚拟飞行、机上在环试验证明，该技术可保证无人机电子围栏功能的正常、高效运行。
附图说明
图1双向链表描述电子围栏示意图；
其中，Lon表示单个围栏的经度坐标
Lat表示单个围栏的纬度坐标
*pNxt表示下一个节点地址
*pLst表示上一个节点地址
图2使用链表进行动态航路规划及预置缓冲区示意图；
其中，Pa表示飞机上一任务点
Wpt表示飞机当前任务点
Pnew1～Pnew9表示航路规划过程中临时生成的航路点
图3底层数据结构规划。
具体实施方式
下面我们结合附图对本发明做出进一步的说明(如图1所示)：
机载动态电子围栏的高确定数据结构设计方法，包括以下步骤：
1、选取双向链表数据结构对电子围栏建模
(在对电子围栏进行计算和处理时，针对不规则多边形的拐点，只需考虑同该拐点相邻的两拐点即可；同时，由于限制型与拒止型围栏的特性正好相反，为了减小算法复杂程度，)这里使用双向链表对电子围栏进行建模(示意图如图1所示)，并对限制型围栏进行逆时针建模，对拒止型围栏进行顺时针建模。其中，单个节点包含的元素如下：
1)单个围栏的经度坐标
2)单个围栏的纬度坐标
3)下一个节点地址
4)上一个节点地址
另外，在对电子围栏进行一些功能扩展或者计算时，可以将需要计算或使用的数据加入单个节点中。
对于限制型的逆时针建模与拒止型的顺时针建模，是为了解决限制型与拒止型的算法互异性的问题，是双向链表的核心价值所在，可以电子围栏计算的归一化，大大提高计算效率。
2、使用链表进行航路规划的设计(如图2所示)
在进行航路规划时，由于电子围栏数量往往较多，每计算一个围栏可能就会引起航路节点变化，进而导致数据结构的变化情况难以预知，同时，如果使用数组进行计算，会大大降低数据处理效率。
本技术使用链表来进行航路规划，对于每次生成的航点序列，仅需明确其前一个航点的位置以及后一个航点位置，即可将其插入至之前已生成的链表序列，从而大大简化逻辑的复杂程度。
同时，本方法预先规划了缓冲池，可先将新产生的航路点依次放入缓冲池中，再根据航点之间的前后关系链接起来，生成新的航路链。
使用链表进行动态航路规划及预置缓冲区示意图如图2所示。
进一步的，在进行步骤1、步骤2前，需要提前对底层数据区进行预置，本技术将底层数据区划分为三个部分：(如图3所示)
1)保留区，用于存储原始电子围栏，与任务预加载的保持一致；
2)综合区，用于存储经计算、处理后的综合电子围栏；
3)规划区，用于动态航路规划时航路链的存储。
如上步骤中，每个数据区大小均按照可能出现的最大数据容量的1.5倍进行预置，从而实现对顶层电子围栏功能所需的“受控动态空间分配”能力，保证电子围栏各功能之间互不干扰，正常运行。
进一步的，步骤1中，对电子围栏的功能扩展和计算，包括电子围栏的安全边界延拓和围栏信息融合，从而方便进行下一步的动态航路规划。
如上步骤中，提到的电子围栏边界延拓，是对用于表示电子围栏的不规则多边形进行扩大或者缩小，可将延拓的距离和方向加入单个节点的数据元素，从而使计算更为清晰，同时减小代码量
进一步的，步骤1中，限制型与拒止型的算法互异性，主要表现在：
1)电子围栏延拓：延拓方向不同，限制型内缩，拒止型外扩
2)不同电子围栏融合：两个拒止型融合为求多边形并集，限制型与拒止型融合为求多边形交集。
使用限制型与拒止型的逆/顺时针建模，可以电子围栏计算的归一化，大大提高计算效率
进一步的，步骤2中，缓冲池可使用底层数据区的规划区代替，从而满足链表动态分配地址与机载软件固定寻址的矛盾。
进一步的，步骤2中，在进行航路规划前，需将规划区的数据清除，再进行新的航路规划计算，防止数据区溢出。

Claims (8)

1.一种机载动态电子围栏的高确定数据结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、选取双向链表数据结构对电子围栏建模
使用双向链表对电子围栏进行建模，并对限制型围栏进行逆时针建模，对拒止型围栏进行顺时针建模；其中，单个节点包含的元素如下：
1)单个围栏的经度坐标
2)单个围栏的纬度坐标
3)下一个节点地址
4)上一个节点地址
在对电子围栏进行一些功能扩展或者计算时，将需要计算或使用的数据加入单个节点中；
步骤2、使用链表进行航路规划的设计
使用链表来进行航路规划，对于每次生成的航点序列，仅需明确其前一个航点的位置以及后一个航点位置，即将其插入至之前已生成的链表序列；
同时，本方法预先规划缓冲池，先将新产生的航路点依次放入缓冲池中，再根据航点之间的前后关系链接起来，生成新的航路链。
2.根据权利要求1所述的一种机载动态电子围栏的高确定数据结构设计方法，其特征在于，在进行步骤1、步骤2前，需要提前对底层数据区进行预置，本技术将底层数据区划分为三个部分：
1)保留区，用于存储原始电子围栏，与任务预加载的保持一致；
2)综合区，用于存储经计算、处理后的综合电子围栏；
3)规划区，用于动态航路规划时航路链的存储。
3.根据权利要求2所述的一种机载动态电子围栏的高确定数据结构设计方法，其特征在于，每个数据区大小均按照可能出现的最大数据容量的1.5倍进行预置。
4.根据权利要求1所述的一种机载动态电子围栏的高确定数据结构设计方法，其特征在于，步骤1中，对电子围栏的功能扩展和计算，包括电子围栏的安全边界延拓和围栏信息融合。
5.根据权利要求4所述的一种机载动态电子围栏的高确定数据结构设计方法，其特征在于，提到的电子围栏边界延拓，是对用于表示电子围栏的不规则多边形进行扩大或者缩小，将延拓的距离和方向加入单个节点的数据元素。
6.根据权利要求1所述的一种机载动态电子围栏的高确定数据结构设计方法，其特征在于，步骤1中，限制型与拒止型的算法互异性，具体为：
1)电子围栏延拓：延拓方向不同，限制型内缩，拒止型外扩；
2)不同电子围栏融合：两个拒止型融合为求多边形并集，限制型与拒止型融合为求多边形交集。
7.根据权利要求1所述的一种机载动态电子围栏的高确定数据结构设计方法，其特征在于，步骤2中，缓冲池使用底层数据区的规划区代替。
8.根据权利要求1所述的一种机载动态电子围栏的高确定数据结构设计方法，其特征在于，步骤2中，在进行航路规划前，需将规划区的数据清除，再进行新的航路规划计算。
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