CN116126029B - 一种活塞动力无人机连续侦察任务规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活塞动力无人机连续侦察任务规划方法，涉及无人机任务规划领域，包括：步骤S1：根据无人机起飞加油量、巡航高度计算续航性能；步骤S2：根据起飞机场与侦察作业区距离、无人机综合保障时间判断无人机是否能连续执行侦察任务；步骤S3：根据无人机侦察方法建立约束模型，得到侦察航线规划数据；步骤S4：根据任务需求制定航线并计算无人机任务时间；本发明，为设计活塞动力无人机自主侦察逻辑提供依据，为活塞动力无人机连续侦察提供每一架次起飞时间、着陆时间、开始侦察时间、结束侦察时间，为活塞动力无人机飞行安全提供数据支撑的同时显著降低了人力物力成本。

Description

一种活塞动力无人机连续侦察任务规划方法

技术领域

本发明涉及无人机任务规划领域，具体涉及一种活塞动力无人机连续侦察任务规划方法。

背景技术

本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且可能不构成现有技术。

活塞动力无人机以其先进的机载昼夜侦察、监视载荷和中高空飞行高度、长航时滞空的优越性能以及不需考虑人员耐受力的限制，且当无人机数量一定时，可以昼夜不间断对特定区域进行侦察，弥补了依靠侦察卫星获取信息实时性差和间隔时间长的缺点，使得侦察结果没有空白区和死角。

根据侦察区域与无人机起飞机场距离的不同、无人机起飞加油量的不同、侦察载荷的工作高度及侦察范围不同、无人机侦察航线的不同，加上无人机最大续航能力的限制，无人机在侦察区域的作业时间、作业范围随之变化，无人机安全着陆的最迟时间也会随之变化。

同时，起飞机场与着陆机场为同一机场的情况下，单架无人机长航时飞行着陆后，需进行综合保障后才可继续使用，为满足无人机对同一区域不间断执行侦察任务，即前一架次无人机离开任务区时刻等于后一架次无人机进入任务区开始任务时刻，在降低无人机出动数量的前提下，至少需要两架无人机轮流出动执行任务，因此需要一种方法来判断无人机是否具有连续侦察能力，当满足连续侦察条件时，还需要规划无人机的出动时间、作业航线、作业时间、返回时间，以确保无人机安全飞行、地面人员有序开展工作。

发明内容

本发明的目的在于：针对背景技术中提出的问题，根据侦察载荷的工作高度及扫描范围、无人机起飞加油量、侦察作业区与起飞机场的距离、无人机综合保障时间，提出了一种活塞动力无人机连续侦察任务规划方法；根据此任务规划方法，可判断活塞动力无人机出动数量最少情况下是否具有连续侦察任务的能力、可为设计活塞动力无人机自主侦察逻辑提供依据、可提供活塞动力无人机任务时间，在保证飞行安全的同时显著降低了人力物力成本，可持续从侦察作业区获取信息，符合实际情况，从而解决了上述问题。

本发明的技术方案如下：

一种活塞动力无人机连续侦察任务规划方法，包括：

步骤S1：根据无人机起飞加油量、巡航高度计算续航性能；

步骤S2：根据起飞机场与侦察作业区距离、无人机综合保障时间判断无人机是否能连续执行侦察任务；

步骤S3：根据无人机侦察方法建立约束模型，得到侦察航线规划数据；

步骤S4：根据任务需求制定航线并计算无人机任务时间。

进一步地，所述步骤S1，包括：

步骤S11：根据多种侦察载荷工作海拔高度中的最大值确定无人机在任务区的巡航海拔高度/>，其中/>；

步骤S12：根据无人机加油量和无人机空机重量/>确定起飞重量/>，其中，≤无人机最大加油量，/>≤无人机最大起飞重量；

步骤S13：扣除出动起飞爬升、返航着陆下滑用油量，根据起飞重量、返场着陆时备用燃油重量/>、巡航海拔高度/>计算所对应的最大航程/>、最大航时/>、平均巡航速度/>。

进一步地，所述起飞重量通过如下公式计算：

所述最大航程通过如下公式计算：

所述最大航时通过如下公式计算：

所述平均巡航速度通过如下公式计算：

其中：

为无人机着陆后的重量，/>；

为单位推力耗油率；

为无人机全机升力系数；

为无人机全机阻力系数；

为巡航海拔高度/>所对应的大气密度；

为无人机机翼面积；

为螺旋桨效率；

为发动机耗油率。

进一步地，所述步骤S2，包括：

确定侦察作业区与起飞机场的距离，在无人机A与无人机B起飞加油量相同、起飞机场与侦察作业区距离相同、侦察航线相同的前提下，无人机A与无人机B不间断执行侦察任务模式为：

无人机A从起飞机场出发后前往侦察作业区执行侦察任务，无人机A在任务区结束侦察任务时，无人机B已到达侦察作业区开始执行侦察任务，无人机A返回基地后进行小时的综合保障，在无人机B结束侦察时，无人机A已完成综合保障并再次出动到达侦察作业区开始第二次侦察任务，依此循环，保证侦察作业区一直有无人机不间断执行侦察任务；

根据以上任务模式，为满足在综合保障时间下，无人机能连续执行侦察任务的约束条件为：

其中：为侦察作业区与起飞机场的距离；

若已定无人机加油量满足约束条件要求，则执行步骤S3；若已定起飞重量不满足约束条件要求，则需增加无人机加油量/>，返回步骤S1，至到满足约束条件再进行步骤S3。

进一步地，所述步骤S3，包括：

无人机航线采取栅格式，拟定航路时有以下约束条件：

无人机在侦察作业区作业时，为满足无间隙扫描侦察作业区，拟定侦察作业区的长度由侦察载荷的扫描范围决定，基于多种侦察载荷同时工作，以其中最小的扫描范围作为侦察作业区长度的规划条件，侦察作业区的尺寸有以下两条约束：

其中：

为侦察作业区长度；

侦察作业区宽度；

n为无人机沿侦察作业区宽度扫描的次数；

为侦察载荷的最小扫描范围；

在栅格式侦察航线的基础上，要满足两架无人机昼夜不间断执行侦察任务模式，有以下约束：

其中：

为无人机在侦察作业区作业的工作距离，即侦察载荷工作距离；

为无人机在侦察作业区作业的工作时间，即侦察载荷工作时间；

无人机在侦察作业区结束作业位置与开始作业位置不同，无人机从结束作业位置返回起飞机场距离有以下约束：

在栅格式侦察航线的基础上，侦察载荷工作距离越远侦察范围越大，当无人机起飞重量和工作海拔高度确定时，最大航程为确定值，载荷工作距离受到最大航程的限制，有以下约束：

其中：

为无人机从起飞至降落期间的实际总航程；

根据以上约束模型，计算满足约束条件的无人机沿侦察作业区宽度扫描的次数n，得到满足无人机连续侦察的航线规划可行数据。

进一步地，所述步骤S4，包括：

根据任务需求规划无人机沿侦察作业区宽度扫描的次数n；

设无人机第一架次从起飞机场起飞前往侦察作业区时间为，根据步骤S3可得每一架次无人机从机场起飞时间/>、无人机到达侦察区开始作业时间/>、无人机在侦察区结束作业时间/>、无人机在机场着陆时间/>。

进一步地，每一架次无人机从机场起飞时间通过如下公式计算：

其中：

为飞行架次，/>。

进一步地，无人机到达侦察区开始作业时间通过如下公式计算：

。

进一步地，无人机在侦察区结束作业时间通过如下公式计算：

无人机在机场着陆时间通过如下公式计算：

。

进一步地，所述步骤S4，还包括：

同一架无人机返回起飞机场后至再次起飞的时间间隔满足如下约束：

其中：

为同一架无人机返回起飞机场后至再次起飞的时间间隔。

与现有的技术相比本发明的有益效果是：

1、一种活塞动力无人机连续侦察任务规划方法，可根据活塞动力无人机续航性能及综合保障时间、侦察作业区距离判断活塞动力无人机出动数量最少情况下是否具有连续侦察任务的能力。

2、一种活塞动力无人机连续侦察任务规划方法，可根据任务载荷的侦察能力、任务需求制定侦察航线，为设计活塞动力无人机自主侦察逻辑提供依据，为活塞动力无人机连续侦察提供每一架次起飞时间、着陆时间、开始侦察时间、结束侦察时间，在保证飞行安全的同时显著降低了人力物力成本，可持续从侦察作业区获取信息，符合实际情况。

附图说明

图1为一种活塞动力无人机连续侦察任务规划方法的流程图；

图2为实施例二中的无人机侦察任务航线规划图；

图3为实施例二中的两架无人机连续侦察任务时间轴线图。

具体实施方式

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

请参阅图1，一种活塞动力无人机连续侦察任务规划方法，具体包括如下步骤：

步骤S1：根据无人机起飞加油量、巡航高度计算续航性能；

步骤S2：根据起飞机场与侦察作业区距离、无人机综合保障时间判断无人机是否能连续执行侦察任务；

步骤S3：根据无人机侦察方法建立约束模型，得到侦察航线规划数据；

步骤S4：根据任务需求制定航线并计算无人机任务时间。

在本实施例中，具体的，所述步骤S1，包括：

步骤S11：根据多种侦察载荷工作海拔高度中的最大值确定无人机在任务区的巡航海拔高度/>，其中/>；

步骤S12：根据无人机加油量和无人机空机重量/>确定起飞重量/>，其中，≤无人机最大加油量，/>≤无人机最大起飞重量；

步骤S13：扣除出动起飞爬升、返航着陆下滑用油量，根据起飞重量、返场着陆时备用燃油重量/>、巡航海拔高度/>计算所对应的最大航程/>（等高度等迎角巡航）、最大航时/>（等高度等迎角巡航）、平均巡航速度/>。

在本实施例中，具体的，所述起飞重量通过如下公式计算：

所述最大航程通过如下公式计算：

所述最大航时通过如下公式计算：

所述平均巡航速度通过如下公式计算：

其中：

为无人机着陆后的重量，/>；

为单位推力耗油率；

为无人机全机升力系数；

为无人机全机阻力系数；

为巡航海拔高度/>所对应的大气密度；

为无人机机翼面积；

为螺旋桨效率；

为发动机耗油率。

在本实施例中，具体的，所述步骤S2，包括：

确定侦察作业区与起飞机场的距离，在无人机A与无人机B起飞加油量相同、起飞机场与侦察作业区距离相同、侦察航线相同的前提下，无人机A与无人机B不间断执行侦察任务模式为：

无人机A从起飞机场出发后前往侦察作业区执行侦察任务，无人机A在任务区结束侦察任务时，无人机B已到达侦察作业区开始执行侦察任务，无人机A返回基地后进行小时的综合保障，在无人机B结束侦察时，无人机A已完成综合保障并再次出动到达侦察作业区开始第二次侦察任务，依此循环，保证侦察作业区一直有无人机不间断执行侦察任务；

根据以上任务模式，为满足在综合保障时间下，无人机能连续执行侦察任务的约束条件为：

其中：为侦察作业区与起飞机场的距离；

上式理解为：

无人机A结束任务时刻，无人机B开始任务，以此时刻为基准，无人机A返回机场最短时间为，无人机B在任务区的最长工作时间为/>；当无人机B结束任务时，无人机A又必须开始任务，无人机A到达任务区时间为/>，因此，无人机A返回起飞机场后最长停留时间=无人机B在任务区的最长工作时间-无人机A返回起飞机场最短时间-无人机A到达任务区时间，即/>；无人机A返回起飞机场后最长停留时间不能小于无人机综合保障时间/>，否则无人机无法在完成综合保障的情况下连续执行任务；

若已定无人机加油量满足约束条件要求，则执行步骤S3；若已定起飞重量不满足约束条件要求，则需增加无人机加油量/>，返回步骤S1，至到满足约束条件再进行步骤S3。

在本实施例中，具体的，所述步骤S3，包括：

无人机在侦察作业区作业时要按照续航能力制定侦察作业航线，在不重复扫描侦察载荷已扫描区域前提下，在本实施例中，无人机航线采取栅格式，拟定航路时有以下约束条件：

无人机在侦察作业区作业时，为满足无间隙扫描侦察作业区，拟定侦察作业区的长度由侦察载荷的扫描范围决定，基于多种侦察载荷同时工作，以其中最小的扫描范围作为侦察作业区长度的规划条件，侦察作业区的尺寸有以下两条约束：

其中：

为侦察作业区长度；

为侦察作业区宽度；

n为无人机沿侦察作业区宽度扫描的次数；

为侦察载荷的最小扫描范围；下面举例说明/>的具体取值规则：

例如：侦察载荷一的扫描范围是±50km(以机身为中间点，机身左边50km，右边50km)，侦察载荷二的扫描范围±40km(以机身为中间点，机身左边40km，右边40km)；则就是40km；

在栅格式侦察航线的基础上，要满足两架无人机昼夜不间断执行侦察任务模式，有以下约束：

其中：

为无人机在侦察作业区作业的工作距离，即侦察载荷工作距离；

为无人机在侦察作业区作业的工作时间，即侦察载荷工作时间；

需要说明的是，的最大值即能在任务区工作的最长时间为/>，为/>，由/>可以推导出；

无人机在侦察作业区结束作业位置（与起飞机场的相对距离大于R）与开始作业位置（与起飞机场的相对距离为R）不同，无人机从结束作业位置返回起飞机场距离有以下约束：

在栅格式侦察航线的基础上，侦察载荷工作距离越远侦察范围越大，当无人机起飞重量和工作海拔高度确定时，最大航程为确定值，载荷工作距离受到最大航程的限制，有以下约束：

其中：

为无人机从起飞至降落期间的实际总航程；

根据以上约束模型，计算满足约束条件的无人机沿侦察作业区宽度扫描的次数n，得到满足无人机连续侦察的航线规划可行数据。

在本实施例中，具体的，所述步骤S4，包括：

根据任务需求规划无人机沿侦察作业区宽度扫描的次数n；

设无人机第一架次从起飞机场起飞前往侦察作业区时间为，根据步骤S3可得每一架次无人机从机场起飞时间/>、无人机到达侦察区开始作业时间/>、无人机在侦察区结束作业时间/>、无人机在机场着陆时间/>。

在本实施例中，具体的，每一架次无人机从机场起飞时间通过如下公式计算：

其中：

为飞行架次，/>。

无人机到达侦察区开始作业时间通过如下公式计算：

。

无人机在侦察区结束作业时间通过如下公式计算：

机场着陆时间通过如下公式计算：

。

所述步骤S4，还包括：

同一架无人机返回起飞机场后至再次起飞的时间间隔满足如下约束：

其中：

为同一架无人机返回起飞机场后至再次起飞的时间间隔。

实施例二

实施例二是基于实施一提出的一种活塞动力无人机连续侦察任务规划方法的一次具体应用。

案例：

任务需求：需要对特定区域进行昼夜不间断侦察作业，回传侦察信息。该地距起飞机场距离800千米，某款活塞动力无人机须携带两种侦察载荷进行持续侦察作业，侦察载荷最大工作海拔高度为5000米，最小监视范围为±100千米，无人机执行完侦察作业返回机场后综合保障时间为5小时，无人机着陆时留200千克余油。

连续侦察任务规划：

步骤S1：无人机在预定侦察区飞行海拔高度为5000米的前提下，根据无人机使用维护说明书，在加油量为2000千克时，扣除起飞爬升用油和着陆备份余油，可计算出对应最远航程为6000千米、最长航时24小时、平均真速250千米/小时。

步骤S2：根据任务区距离以及步骤S1所得结果判断无人机是否能连续执行侦察任务。

11.2小时大于综合保障时间5小时，即无人机起飞加油量2000千克满足在800千米外，巡航海拔高度5000米连续执行侦察任务的要求。

步骤S3：根据栅格式航线建立约束模型，并基于约束模型计算沿侦察作业区宽度的扫描次数n，得到侦察航线规划数据，计算结果见表1。

表1 基于约束模型的侦察航线规划数据

步骤S4：根据任务需求，选定无人机沿侦察作业区宽度扫描的次数为4，侦察航线见图2，计算每一架次无人机离开机场时间、开始任务时间、结束任务时间、返回机场时间，计算结果见表2，两架无人机连续侦察任务时间轴线见图3。

表2 无人机连续侦察任务时间历程

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

提供本背景技术部分是为了大体上呈现本发明的上下文，当前所署名的发明人的工作、在本背景技术部分中所描述的程度上的工作以及本部分描述在申请时尚不构成现有技术的方面，既非明示地也非暗示地被承认是本发明的现有技术。

Claims (2)

1.一种活塞动力无人机连续侦察任务规划方法，其特征在于，包括：

步骤S1：根据无人机起飞加油量、巡航高度计算续航性能；

步骤S2：根据起飞机场与侦察作业区距离、无人机综合保障时间判断无人机是否能连续执行侦察任务；

步骤S3：根据无人机侦察方法建立约束模型，得到侦察航线规划数据；

步骤S4：根据任务需求制定航线并计算无人机任务时间；

所述步骤S1，包括：

步骤S11：根据多种侦察载荷工作海拔高度中的最大值确定无人机在任务区的巡航海拔高度/>，其中/>；

步骤S12：根据无人机加油量和无人机空机重量/>确定起飞重量/>，其中，/>≤无人机最大加油量，/>≤无人机最大起飞重量；

步骤S13：扣除出动起飞爬升、返航着陆下滑用油量，根据起飞重量、返场着陆时备用燃油重量/>、巡航海拔高度/>计算所对应的最大航程/>、最大航时/>、平均巡航速度/>；

所述起飞重量通过如下公式计算：

所述最大航程通过如下公式计算：

所述最大航时通过如下公式计算：

所述平均巡航速度通过如下公式计算：

其中：

为无人机着陆后的重量，/>；

为单位推力耗油率；

为无人机全机升力系数；

为无人机全机阻力系数；

为巡航海拔高度/>所对应的大气密度；

为无人机机翼面积；

为螺旋桨效率；

为发动机耗油率；

所述步骤S2，包括：

确定侦察作业区与起飞机场的距离，在无人机A与无人机B起飞加油量相同、起飞机场与侦察作业区距离相同、侦察航线相同的前提下，无人机A与无人机B不间断执行侦察任务模式为：

无人机A从起飞机场出发后前往侦察作业区执行侦察任务，无人机A在任务区结束侦察任务时，无人机B已到达侦察作业区开始执行侦察任务，无人机A返回基地后进行小时的综合保障，在无人机B结束侦察时，无人机A已完成综合保障并再次出动到达侦察作业区开始第二次侦察任务，依此循环，保证侦察作业区一直有无人机不间断执行侦察任务；

根据以上任务模式，为满足在综合保障时间下，无人机能连续执行侦察任务的约束条件为：

其中：为侦察作业区与起飞机场的距离；

若已定无人机加油量满足约束条件要求，则执行步骤S3；若已定起飞重量/>不满足约束条件要求，则需增加无人机加油量/>，返回步骤S1，至到满足约束条件再进行步骤S3；

所述步骤S3，包括：

无人机航线采取栅格式，拟定航路时有以下约束条件：

无人机在侦察作业区作业时，为满足无间隙扫描侦察作业区，拟定侦察作业区的长度由侦察载荷的扫描范围决定，基于多种侦察载荷同时工作，以其中最小的扫描范围作为侦察作业区长度的规划条件，侦察作业区的尺寸有以下两条约束：

其中：

为侦察作业区长度；

侦察作业区宽度；

n为无人机沿侦察作业区宽度扫描的次数；

为侦察载荷的最小扫描范围；

在栅格式侦察航线的基础上，要满足两架无人机昼夜不间断执行侦察任务模式，有以下约束：

其中：

为无人机在侦察作业区作业的工作距离，即侦察载荷工作距离；

为无人机在侦察作业区作业的工作时间，即侦察载荷工作时间；

无人机在侦察作业区结束作业位置与开始作业位置不同，无人机从结束作业位置返回起飞机场距离有以下约束：

在栅格式侦察航线的基础上，侦察载荷工作距离越远侦察范围越大，当无人机起飞重量和工作海拔高度确定时，最大航程为确定值，载荷工作距离受到最大航程的限制，有以下约束：

其中：

为无人机从起飞至降落期间的实际总航程；

根据以上约束模型，计算满足约束条件的无人机沿侦察作业区宽度扫描的次数n，得到满足无人机连续侦察的航线规划可行数据；

所述步骤S4，包括：

根据任务需求规划无人机沿侦察作业区宽度扫描的次数n；

设无人机第一架次从起飞机场起飞前往侦察作业区时间为，根据步骤S3可得每一架次无人机从机场起飞时间/>、无人机到达侦察区开始作业时间/>、无人机在侦察区结束作业时间/>、无人机在机场着陆时间/>；

每一架次无人机从机场起飞时间通过如下公式计算：

其中：

为飞行架次，/>；

无人机到达侦察区开始作业时间通过如下公式计算：

无人机在侦察区结束作业时间通过如下公式计算：

无人机在机场着陆时间通过如下公式计算：

。

2.根据权利要求1所述的一种活塞动力无人机连续侦察任务规划方法，其特征在于，所述步骤S4，还包括：

同一架无人机返回起飞机场后至再次起飞的时间间隔满足如下约束：

其中：

为同一架无人机返回起飞机场后至再次起飞的时间间隔。