CN114489135A - 一种多任务航线设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空导航以及飞行校验技术领域，特别是涉及一种多任务航线设计方法，通过校验设备模块记录校验设施及校验设备的基本信息，通过飞行标准模块记录飞行校验标准所规定的各个校验项目的飞行方法，通过校验项目选择模块确定需要校验的设备及校验项目，从而在任务航线集合模块生成每一个校验项目要求的飞行任务航线，通过对任务航线集合进行处理，以飞行航线总长度最短为标准，计算一条最优航线。本发明规划的飞行航线，不仅能够满足各个校验项目的飞行要求，而且还能够节省无人机飞行成本和时间。

Description

一种多任务航线设计方法
技术领域
本发明属于航空技术领域，特别是涉及一种多任务航线设计方法。
背景技术
飞机一般依靠地面导航设备发射的引导信号进行飞行或着陆，为保证地面导航设备发射的信号能够正常引导飞机飞行，一般会通过飞行校验工作对地面的导航设备进行检查和评估。
利用无人机进行飞行校验是飞行校验的一种新方式，在无人机上安装机载校验设备，地面工作人员通过操作地面校验设备，执行飞行校验工作。地面工作人员在执行飞行校验工作前，首先需要根据校验设备和校验项目，参照飞行校验标准规划无人机的飞行航线，如果校验项目少，则规划航线的工作量比较少，而如果校验设备和校验项目比较多，希望通过一个架次飞行能够校验多个项目，那么规划航线的工作量比较大，因为计算出的航线不仅要求能够满足所有校验项目的要求，而且还需要考虑无人机飞行成本和飞行时间。目前，地面工作人员在执行飞行校验前，通过各种计算，所规划的飞行航线只能满足各个校验项目的要求，很难规划出一条总航线长度最短的飞行航线，从而无形中增加了无人机的飞行成本和时间。
发明内容
本发明提出一种多任务航线设计方法，该方法在满足飞行校验标准的前提下，参照校验机场、校验设备的坐标计算出每一项校验项目的开始校验点坐标和结束校验点坐标等信息，然后组合成任务航线集合，并且计算出各条任务航线之间相互连接的航线，最后计算出一条总航线长度最短的组合。该方法解决了在利用无人机进行飞行校验时，由于规划的航线不合理，而导致飞行航线太长，从而增加无人机飞行时间和成本的问题。
为实现上述目的，本发明的一种多任务航线设计方法原理如下：
通过校验设备模块记录校验设施及校验设备的基本信息，通过飞行标准模块记录飞行校验标准所规定的各个校验项目的飞行方法，通过校验项目选择模块确定需要校验的设备及校验项目，从而在任务航线集合模块生成每一个校验项目要求的飞行任务航线，通过对任务航线集合进行处理，以飞行航线总长度最短为标准，计算一条最优航线。
各模块的主要功能如下：
（1）校验设备模块，主要用于记录校验设施及校验设备的基本信息，包含：校验机场的跑道入口坐标、跑道入口高度、跑道方向、各个校验设备的坐标和校验设备天线高度等。
（2）飞行标准模块，主要用于记录飞行校验标准所规定的各个校验项目的飞行方法。在飞行校验标准中，一些校验项目的飞行航线要求为一个区间范围，在该区间范围内的飞行即满足校验标准。在该模块，飞行标准主要用以下参数形式记录：
开始校验点：校验项目开始执行时与校验设备的距离范围，依据校验标准，该参数的记录内容为一个值或者区间范围；
结束校验点：校验项目结束时与校验设备的距离范围，依据校验标准，该参数的记录内容为一个值或者区间范围；
飞行方法：无人机在开始校验点与结束校验点之间的飞行方法，包含：平飞、进近、圆弧飞行等，其中，圆弧飞行需要记录飞行弧度；
飞行高度：在执行平飞或圆弧飞行时的飞行高度范围，依据校验标准，该参数的记录内容为一个值或者区间范围；
飞行方向：开始校验点与结束校验点是否可以互换，若支持互换，则无人机可以从结束校验点飞行至开始校验点，即支持反方向飞行；若不支持互换，则只能从开始校验点飞行至结束校验点，即只能单方向飞行。
（3）校验项目选择模块，选择需要校验的设备及校验项目，在确定校验项目后，对于在飞行标准模块中以区间范围形成记录的参数，需要选择区间范围内的一个值，从而进一步明确飞行要求。在该模块，根据校验目的可以选择多个校验设备和校验项目。
（4）任务航线集合模块，根据选择的校验设备和校验项目，生成每一个校验项目要求的飞行任务航线，该航线只满足执行对应的校验项目。所有的任务航线组成任务航线集合，在任务航线集合中，记录每条航线的参数如下：
起点坐标：校验项目开始执行校验时的经度、纬度及高度；
终点坐标，校验项目结束校验时的经度、纬度及高度；
飞行方法：平飞、进近、圆弧飞行中的一种；
飞行方向：仅支持单方向飞行或者支持双方向飞行。
计算最优航线，对任务航线集合进行处理，以飞行航线总长度最短为标准，计算一条最优航线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明解决了在利用无人机进行飞行校验时，由于规划的航线不合理，而导致飞行航线太长，从而增加无人机飞行成本和时间的问题。
本发明规划的飞行航线，不仅能够满足各个校验项目的飞行要求，而且还能够节省无人机飞行成本和时间。
附图说明
图1为一种多任务航线设计方法原理图；
图2为一种多任务航线设计方法示意图；
图3为无人机飞行平面直角坐标系示意图；
图4为无人机飞行方向示意图；
图5为0度≤θ<90度任务航线示意图；
图6为90度≤θ<180度任务航线示意图；
图7为180度≤θ<270度任务航线示意图；
图8为270度≤θ<360度任务航线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1为本发明实施例中一种多任务航线设计方法原理图，如图1所示，本发明提供的一种多任务航线设计方法通过校验设备模块记录校验设施及校验设备的基本信息，通过飞行标准模块记录飞行校验标准所规定的各个校验项目的飞行方法，通过选择校验项目模块确定需要校验的设备及校验项目，从而在任务航线集合模块生成每一个校验项目要求的飞行任务航线，通过对任务航线集合进行处理，以飞行航线总长度最短为标准，计算一条最优航线。
各模块的主要功能如下：
（1）校验设备模块，主要用于记录校验设施及校验设备的基本信息，包含：校验机场的跑道入口坐标、跑道入口高度、跑道方向、各个校验设备的坐标和校验设备天线高度等。
（2）飞行标准模块，主要用于记录飞行校验标准所规定的各个校验项目的飞行方法。在飞行校验标准中，一些校验项目的飞行航线要求为一个区间范围，在该区间范围内的飞行即满足校验标准。在该模块，飞行标准主要用以下参数形式记录：
开始校验点：校验项目开始执行时与校验设备的距离范围，依据校验标准，该参数的记录内容为一个值或者区间范围；
结束校验点：校验项目结束时与校验设备的距离范围，依据校验标准，该参数的记录内容为一个值或者区间范围；
飞行方法：无人机在开始校验点与结束校验点之间的飞行方法，包含：平飞、进近、圆弧飞行等，其中，圆弧飞行需要记录飞行弧度；
飞行高度：在执行平飞或圆弧飞行时的飞行高度范围，依据校验标准，该参数的记录内容为一个值或者区间范围；
飞行方向：开始校验点与结束校验点是否可以互换，若支持互换，则无人机可以从结束校验点飞行至开始校验点，即支持反方向飞行；若不支持互换，则只能从开始校验点飞行至结束校验点，即只能单方向飞行。
（3）校验项目选择模块，选择需要校验的设备及校验项目，在确定校验项目后，对于在飞行标准模块中以区间范围形成记录的参数，需要选择区间范围内的一个值，从而进一步明确飞行要求。在该模块，根据校验目的可以选择多个校验设备和校验项目。
（4）任务航线集合模块，根据选择的校验设备和校验项目，生成每一个校验项目要求的飞行任务航线，该航线只满足执行对应的校验项目。所有的任务航线组成任务航线集合，在任务航线集合中，记录每条航线的参数如下：
起点坐标：校验项目开始执行校验时的经度、纬度及高度；
终点坐标，校验项目结束校验时的经度、纬度及高度；
飞行方法：平飞、进近、圆弧飞行中的一种；
飞行方向：仅支持单方向飞行或者支持双方向飞行。
计算最优航线，对任务航线集合进行处理，以飞行航线总长度最短为标准，计算一条最优航线。
图2为本发明实施例中一种多任务航线设计方法示意图，如图2所示，一种多任务航线设计方法，具体包括以下步骤：
步骤1：记录基本信息，记录校验设施和校验设备的基本信息以及飞行校验标准所规定的各个校验项目的飞行方法等；
步骤2：选择校验项目，选择需要校验的设备及该设备对应的校验项目；
步骤3：制定飞行要求，在飞行校验标准中，一些校验项目的飞行航线要求为一个区间范围，只要在该区间范围内飞行即满足校验标准，对于这些校验项目，需要在区间范围内选择一个值，从而进一步明确飞行航线；
步骤4：选择多个校验项目，根据校验目的可以进行多个校验设备的校验项目，依次选择校验设备、校验项目，并制定每个校验项目的飞行要求；
步骤5：计算生成各校验项目的任务航线，根据校验机场的跑道入口坐标、跑道入口高度、校验设备的坐标和校验设备天线高度等参数，依据校验项目的飞行标准和已制定的飞行要求，计算出各个校验项目的飞行航线。每条航线用以下参数记录：
起点坐标：校验项目开始执行校验时的经度、纬度及高度。参照校验设备坐标或机场跑道坐标等参数，以及已制定的飞行要求等信息，对飞行标准模块中记录的“开始校验点”计算，即可得到起点坐标。
终点坐标，校验项目结束校验时的经度、纬度及高度。参照校验设备坐标或机场跑道坐标等参数，以及已制定的飞行要求等信息，对飞行标准模块中记录的“结束校验点”计算，即可得到终点坐标。
飞行方法：平飞、进近、圆弧飞行中的一种。该值为飞行标准模块中对应校验项目的“飞行方法”记录。
飞行方向：仅支持单方向飞行或者支持双方向飞行。该值为飞行标准模块中对应校验项目的“飞行方向”记录；
步骤6：组成任务航线集合，把所有计算出的校验项目的任务航线组成任务航线集合，然后对任务航线集合中的任务航线进行处理，具体处理方法如下：
第一，判断任务航线集合中是否存在被其它任务航线完全覆盖的任务航线，若存在，则在任务航线集合中删除被覆盖的任务航线。
第二，在新的任务航线集合中，查找是否存在部分重合的任务航线，若存在，则把这些任务航线组合成一条新的任务航线，同时在任务航线集合中删除这些任务航线。
步骤7：计算生成各项任务航线之间相互连接的飞行航线，计算方法如下：
计算任务航线之间相互连接的飞行航线，即计算每条任务航线的终点坐标与其它任务航线的起点坐标之间的飞行航线，任务航线的终点坐标记为S点，其它任务航线的起点坐标记为E点。计算S点到E点的飞行航线必须满足以下条件：
在设计无人机转弯航线时，转弯半径必须大于无人机的最小转弯半径；
在设计无人机爬升航线时，爬升率必须小于无人机的最大爬升率；
在设计无人机下降航线时，下降率必须小于无人机的最大下降率；
在设计航线时，无人机的飞行速度不能大于最大飞行速度。
具体计算方法如下：
a、以无人机所在S点及飞行方向建立平面直角坐标系，在建立的平面直角坐标系中，S点为原点，当前飞行方向为y轴，如图3所示，右上区域为第一象限，左上区域为第二象限，左下区域为第三象限，右下区域为第四象限。
b、把E点映射到该直角坐标系，不考虑E点所在高度，根据E点的经纬度，把该点映射到直角坐标系中。根据生成任务航线集合模块所记录的任务航线，计算出E点的飞行方向，如图4所示。
在一实施例中，以任务航线起点坐标在第二象限为例，对计算方法进行说明。由无人机所在S点的飞行方向开始，沿逆时针到达E点的飞行方向，所经过的角度记为θ，单位为度。根据θ取值大小，分以下四种情况进行说明：
情况1：0度≤θ<90度
当0度≤θ<90度时，无人机从S点开始以最小转弯半径执行圆形飞行，飞行弧度为θ，把飞到θ时的位置与E点之间用直线连接，则这段圆弧和直线组成的航线即为这两段任务航线之间连接的飞行航线，如图5所示。
当90度≤θ<180度时，首先，无人机在S点沿y轴方向继续飞，飞行至E点在y轴上的映射点，即该点与y轴垂直的交叉点。然后，无人机从交叉点开始以最小转弯半径执行圆形飞行，飞行弧度为θ。最后，把飞到θ时的位置与E点之间用直线连接，则由这三段航线组成的航线即为这两段任务航线之间连接的飞行航线。如图6所示。
当180度≤θ<270度时，首先，在E点处，模拟无人机以最小转弯半径执行圆形飞行，开始飞行方向为E点航线的反方向，飞行弧度为180度。其次，在180度时，位置记为A点，在A点处飞行方向的反方向与y轴的角度记为α，单位为度。可以计算出α=θ-180度，即α<90，按照情况1中的方法，可以计算出由S点到A点之间的航线，最后连接这些航线，即为这两段任务航线之间连接的飞行航线。如图7所示。
当270度≤θ<360度时，首先，在E点处，模拟无人机以最小转弯半径执行圆形飞行，开始飞行方向为在E点处任务航线的反方向，飞行弧度为180度。其次，在180度时，位置记为A点,无人机在A点处飞行方向的反方向与y轴的角度记为β，单位为度。可以计算出β=θ-180度，即 90度≤β<180，按照情况2中的方法，可以计算出由S点到A点之间的航线，最后连接所有航线，即为这两段任务航线之间连接的飞行航线。如图8所示。
c、如果任务航线终点与下一任务航线起点不在同一高度的情况，则计算方法如下：
上一步骤方法可计算出任务航线之间相互连接的飞行航线的水平长度，即在直角坐标系中的长度，记为L，单位米；无人机的最大爬升率记为U，单位米/秒；无人机最大下降率记为D，单位米/秒；无人机最大飞行速度记为V，单位米/秒；无人机最小转弯半径记为R，单位米。
无人机在爬升时的平均飞行速度记为λ×V，其中λ为[0,1]区间内的常数，λ值依据无人机性能而定，不同无人机具有不同的λ值。
任务航线终点的高度与下一任务航线起点的高度差记为H，单位米，如果H<0，则无人机在该飞行航线上需要爬升。
无人机完成L米长度的飞行需要的时间记为
Figure 687294DEST_PATH_IMAGE001
，单位秒，计算得：
Figure 756750DEST_PATH_IMAGE002
无人机爬升H米高度的最小时间记为
Figure 46917DEST_PATH_IMAGE003
，单位秒，计算得：
Figure 176416DEST_PATH_IMAGE004
如果
Figure 552033DEST_PATH_IMAGE005
，则由任务航线终点到下一任务航线起点的航线上的每个点的高度为：
Figure 159601DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 569854DEST_PATH_IMAGE007
为航线上的点距原点的航线距离，单位米，
Figure 870254DEST_PATH_IMAGE008
为无人机在原点的高度，单位米。
如果
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE009
，无人机最小转弯半径飞行一周的时间记为
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE010
，单位秒，计算得：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE011
如果
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE012
，则无人机在飞至下一任务起点坐标时，高度还未达到，需要在该点按照原方向继续飞行一圆，圆周半径记为r，单位米，计算得：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE013
所以，
Figure RE-356518DEST_PATH_IMAGE012
时，需要在原航线的基础上，增加一个半径为r的圆形航线，则由任务航线终点到下一任务航线起点的航线上的每个点的高度为：
Figure RE-211342DEST_PATH_IMAGE014
，其中x为航线上的点距原点的距离，单位米，H0为无人机在原点的高度，单位米。
如果
Figure 79573DEST_PATH_IMAGE015
，则无人机在飞至下一任务起点坐标时，高度还未达到，需要在该点按照原方向继续飞行一圆，圆周半径为最小转弯半径R。所以，
Figure 568192DEST_PATH_IMAGE015
时，也需要在原航线的基础上，增加一个半径为R的圆形航线，则由任务航线终点到下一任务航线起点的航线上的每个点的高度为：
Figure 928766DEST_PATH_IMAGE016
，其中
Figure 253568DEST_PATH_IMAGE007
为航线上的点距原点的航线距离，单位米，
Figure 810321DEST_PATH_IMAGE008
为无人机在原点的高度，单位米。
如果H>0，则无人机在该飞行航线上需要下降，计算方法同爬升时的计算方法。
步骤7：对于飞行方向支持双方向飞行的任务航线，需要把该任务航线作为两条任务航线，分别计算与其它任务航线的连接航线，新生成的这两条任务航线之间不需要相互连接。
步骤8：计算无人机的起飞点坐标与各项任务航线起点坐标之间的飞行航线，以及各项任务航线终点坐标和无人机降落点坐标之间的飞行航线，方法参考步骤7。
步骤9：计算生成最优航线，以飞行航线总长度最短为目标，对包含无人机起飞点、各项任务航线起点、各项任务航线终点、无人机降落点的所有组合航线进行遍历计算，计算出航线总长度最短的组合。最后，把该组航线与各项任务航线连接，即生成最优航线。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种多任务航线设计方法，其特征在于，通过校验设备模块记录校验设施及校验设备的基本信息，通过飞行标准模块记录飞行校验标准所规定的各个校验项目的飞行方法，通过校验项目选择模块确定需要校验的设备及校验项目，从而在任务航线集合模块生成每一个校验项目要求的飞行任务航线，通过对任务航线集合进行处理，以飞行航线总长度最短为标准，计算一条最优航线；具体包括以下步骤：
步骤1：计算当前任务航线的终点坐标与下一条任务航线的起点坐标之间的飞行航线，当前任务航线的终点坐标记为S点，下一条任务航线的起点坐标记为E点，并以无人机所在S点及飞行方向建立平面直角坐标系，在建立的平面直角坐标系中S点定义为原点，当前飞行方向定义为y轴，将平面直角坐标系划分为四个象限；
步骤2：不考虑E点所在高度，根据E点的经纬度，把该点映射到直角坐标系中；根据生成任务航线集合模块所记录的任务航线，计算E点的飞行方向；
步骤3：当前任务航线的终点与下一条任务航线的起点在同一高度时，以无人机所在S点的飞行方向开始，沿逆时针到达E点的飞行方向，所经过的角度记为θ，根据θ的大小分四种情况（0o≤θ<90o、90o≤θ<180o、180o≤θ<270o、270o≤θ<360o）分别计算最短航线；
步骤4：当前任务航线的终点与下一条任务航线的起点在不同一高度时，依据步骤3计算任务航线之间飞行航线的水平距离L，当前任务航线终点的高度与下一任务航线起点的高度差记为H，若H<0，则无人机在该飞行航线上需要爬升，计算无人机完成L长度的飞行需要的时间t1 ；计算无人机爬升H米高度的时间t2；
步骤5：如果t1 > t2，则说明无人机在飞至下一任务起点坐标时，高度已达到，由任务航线终点到下一任务航线起点的航线上的每个点的高度计算为：
Figure 39196DEST_PATH_IMAGE001
，其中x为航线上的点距原点的航线距离， Ho为无人机在原点的高度；
步骤6：如果t1 ≦t2 ，则无人机在飞至下一任务起点坐标时，高度还未达到，需要在该点按照原方向继续飞行一圆周，圆周半径计算为
Figure 143287DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤7：无人机最小转弯半径飞行一周的时间记为t3，如果t3 ≦t2- t1 ，则无人机需要在原航线的基础上，增加一条步骤6中半径为r的圆形航线，如果t3 >t2- t1 ，则无人机需要在原航线的基础上，增加一条半径为R的圆形航线，其中R即为本步骤中的无人机最小转弯半径；
步骤8：如果H>0，则无人机在该飞行航线上需要下降，计算方法同爬升时的计算方法；
步骤9：计算生成最优航线，以飞行航线总长度最短为目标，对包含无人机起飞点、各项任务航线起点、各项任务航线终点、无人机降落点的所有组合航线进行遍历计算，计算出航线总长度最短的组合；把该组航线与各项任务航线连接，即生成最优航线。
2.根据权利要求1所述的一种多任务航线设计方法，其特征在于，所述校验设备模块、飞行标准模块、校验项目选择模块、任务航线集合模块安装于无人机内。
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