JP2021110744A - Method to speedily plan flight track of smart aircraft under multiple constraints - Google Patents
Method to speedily plan flight track of smart aircraft under multiple constraints Download PDFInfo
- Publication number
- JP2021110744A JP2021110744A JP2020219945A JP2020219945A JP2021110744A JP 2021110744 A JP2021110744 A JP 2021110744A JP 2020219945 A JP2020219945 A JP 2020219945A JP 2020219945 A JP2020219945 A JP 2020219945A JP 2021110744 A JP2021110744 A JP 2021110744A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- node
- aircraft
- error
- correction
- candidate point
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
- G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Traffic Control Systems (AREA)
- Navigation (AREA)
Abstract
Description
本発明は、航空機の航跡の計画と制御の分野に属し、具体的には、多制約条件下でスマート航空機の航跡を急速に計画する方法に関する。 The present invention belongs to the field of aircraft wake planning and control, and specifically relates to a method of rapidly planning the wake of a smart aircraft under multiple constraints.
1917年に英国人が世界初の航空機(Aerial Vehicle)を発明して以来、航空機の技術は、既に軍事分野及び民用分野において非常に重要な発展項目となっている。軍事分野においては、航空機は、地形及び敵に対する偵察及び対地攻撃などを含む多くの軍事タスクを完璧に完了することができる。民用分野においては、航空機は、マッピング、資源探査及び空中撮影などの方面においても巨大な役割を果たす。コンピュータ、情報及び科学技術の急速な発展に伴い、航空機の性能、結果、操作は、ますます複雑になる。飛行器の航跡計画は、航空機の自律航法を実現する重要な技術であり、かつ理論的にも実際の応用においても重要な意味を有しており、以上のような様々な原因に基づいて、航空機に最も短い飛行距離を供するだけでなく、正確に測位してタスクを完了させることができるように、効果的な航跡計画方法が求められるようになっており、これも現在の切実な要求となっている。 Since the British invented the world's first Air Vehicle in 1917, aircraft technology has already become a very important development in the military and civilian fields. In the military arena, aircraft can perfectly complete many military tasks, including reconnaissance and ground attacks on terrain and enemies. In the civilian field, aircraft also play a huge role in areas such as mapping, resource exploration and aerial photography. With the rapid development of computers, information and science and technology, the performance, results and operations of aircraft will become more and more complex. Aircraft wake planning is an important technology for realizing autonomous navigation of aircraft, and has important meaning both theoretically and in practical applications. Based on the various causes described above, aircraft There is a growing demand for effective wake planning methods that not only provide the shortest flight distance to the aircraft, but also accurately position and complete the task, which is also an urgent need today. ing.
航跡計画は、経路計画の一種であるが、航空機の飛行過程の複雑さ、タスク実行際の環境複雑さなどにより、一般的な経路計画よりも航跡計画が複雑になることがある。一般的な航空機の航跡計画(Route Planning)は、航空機に1つ以上の要件を満たす飛行軌跡を計画することである。従来の特許(特許番号CN201910556400.3の無人飛行機航跡の計画装置及び方法、特許番号CN201810519664.7の無人飛行機の航跡計画、及び特許番号CN201810519645.4の低空飛行無人航空機のリアルタイムな航跡計画)などがあるが、従来の特許の航跡計画方法では、飛行中に航空機が遭遇する様々な実際環境についてはあまり制約されていない。 A wake plan is a type of route plan, but the wake plan may be more complicated than a general route plan due to the complexity of the flight process of an aircraft and the complexity of the environment when performing tasks. A typical aircraft route planning is to plan a flight trajectory for an aircraft that meets one or more requirements. Conventional patents (patent number CN201910556400.3 unmanned aerial vehicle track planning device and method, patent number CN2018105196664.7 unmanned aerial vehicle track planning, and patent number CN20181051945.4. However, traditional patented track planning methods are less constrained by the various real-world environments that aircraft encounter during flight.
しかしながら、実際の応用では、航空機のシステム構成の制限と複雑な環境影響や制約条件が多いため、複雑な環境下での航跡の急速計画が航空機制御の1つの重要な課題となっている。航空機に所定のルートを正確に飛行させ、測位誤差による飛行タスクの失敗を回避するために、飛行中に環境要因を考慮して、水平誤差制約、垂直誤差制約、有効経路制約及び航空機の旋回半径制約を満たす、優れた空間ノードを選出し、これらの空間ノードに1つの実行可能なルートを航空機の有効な航跡計画として形成させるために、本発明は、システムの測位精度の制限による航空機の航跡急速計画方法を提供する。 However, in actual applications, there are many restrictions on the system configuration of the aircraft and complicated environmental impacts and constraints, so rapid planning of wakes in a complicated environment has become one of the important issues for aircraft control. Horizontal error constraints, vertical error constraints, effective route constraints and turning radius of the aircraft, taking into account environmental factors during flight, to ensure that the aircraft flies exactly on a given route and avoids flight task failures due to positioning errors. In order to select good spatial nodes that meet the constraints and allow these spatial nodes to form one viable route as an effective aircraft track plan, the present invention presents an aircraft track due to restrictions on the positioning accuracy of the system. Provide a rapid planning method.
背景技術に存在する課題に対して、航空機が実際の飛行中に遭遇する様々な状況を解決するために、本発明は、多制約条件下でスマート航空機の航跡を急速に計画する方法を提供することを、その目的とする。 In order to solve various situations that an aircraft encounters during actual flight to the problems existing in the background technology, the present invention provides a method for rapidly planning the wake of a smart aircraft under multiple constraints. That is the purpose.
本発明の方法は、具体的には、以下のとおりである。
本発明の多制約条件下でスマート航空機の航跡を急速に計画する方法は、具体的には、以下のステップS1〜S3を含み、
ステップS1では、航空機の航跡計画の特徴を分析し、多目的関数で多制約条件の数学的最適化モデルを確立し、
航空機の航跡計画の特徴に基づいて、航空機の大きさを無視して航空機を質点に簡略化し、航空機のノード間の飛行経路をユークリッド距離として、以下の数学的最適化モデルの目的関数F1 、F2 を確立し、
を通り、
式中、Nは、飛行領域内の補正点のノード集合であり、i、jは、ノード集合Nにおけるi、j番目のノードの略号であり、dijは、ノードiからノードjまでの航空機の距離であり、xijは、航空機がノードiからノードjまで飛行しているか否かを示すバイナリ変数であり、航空機がノードiからノードjまで飛行すれば、xij=1であり、そうでなければxij=0であり、
該目的関数は、以下の1)〜3)の制約条件を満たし、
1)経路バランス制約であり、航空機が一回の飛び込みと飛び出しのみを行い、すなわち、航空機が該ノードをトラバースした後に該ノードをトラバースすることがないとする制限であり、経路バランス制約式は以下のとおりであり、
式中、kは、ノード集合Nにおけるk番目のノードの略号であり、nは、ノード集合Nにおけるノード総数であり、xikは、航空機がノードiからノードkまで飛行しているか否かを示すバイナリ変数であり、航空機がノードiからノードkまで飛行すれば、xik=1であり、そうでなければ、xik=0であり、xkjは、航空機がノードkからノードjまで飛行しているか否かを示すバイナリ変数であり、航空機がノードkからノードjまで飛行すれば、xkj=1であり、そうでなければ、xkj=0であり、
2)経路唯一性制約であり、航空機が各ノードを順次トラバースし、1つの有効経路のみを形成するという制限であり、経路唯一性制約式は以下のとおりであり、
式中、yi は、ノードiが航空機によりトラバースされているか否かを示すバイナリ変数であり、航空機が該ノードiから飛び出したり、飛び込んだりすれば、すなわち、ノードiが航空機によりトラバースされたことを表せば、yi =1であり、そうでなければ、yi =0であり、
3)トラバース経路回路制約であり、航空機が飛行中にいかなるサブループ解も発生しないとする制限であり、トラバース経路回路制約式は以下のとおりであり、
ステップS2では、航空機の始点座標と、終点座標と、飛行領域内の全ての補正点の空間位置座標と、水平誤差補正タイプ及び垂直誤差補正タイプを含むその誤差補正タイプを含むインスタンス情報を取得し、
ステップS3では、ヒューリスティックな近傍探索アルゴリズムを運用してインスタンスを求めることにより、複数の選択可能なスキームを取得して選択する。
Specifically, the method of the present invention is as follows.
The method of rapidly planning the track of a smart aircraft under the multi-constrained conditions of the present invention specifically includes the following steps S1 to S3.
In step S1, the characteristics of the aircraft track plan are analyzed, a mathematical optimization model of multi-constraints is established with a multi-objective function, and the model is established.
Based on the characteristics of the aircraft's wake plan, the aircraft is simplified to mass points, ignoring the size of the aircraft, and the flight path between the nodes of the aircraft is the Euclidean distance, and the objective function F 1 of the following mathematical optimization model, Establish F 2 and
Through
In the equation, N is the node set of correction points in the flight area, i and j are the abbreviations for the i and jth nodes in the node set N, and di j is the aircraft from node i to node j. X ij is a binary variable indicating whether or not the aircraft is flying from node i to node j, and if the aircraft flies from node i to node j, x ij = 1, so Otherwise, x ij = 0,
The objective function satisfies the following constraints 1) to 3).
1) It is a route balance constraint, which is a restriction that the aircraft makes only one dive and jump, that is, the aircraft does not traverse the node after traversing the node, and the route balance constraint formula is as follows. Is as
In the equation, k is the abbreviation for the kth node in the node set N, n is the total number of nodes in the node set N, and x ik is whether or not the aircraft is flying from node i to node k. It is a binary variable shown, and if the aircraft flies from node i to node k, then x ik = 1, otherwise x ik = 0, and x kj is that the aircraft flies from node k to node j. It is a binary variable indicating whether or not the aircraft is flying, and if the aircraft flies from node k to node j, x kj = 1, otherwise x kj = 0.
2) The route uniqueness constraint is a restriction that the aircraft traverses each node in sequence to form only one effective route. The route uniqueness constraint formula is as follows.
In the equation, y i is a binary variable indicating whether or not the node i is traversed by the aircraft, and if the aircraft jumps out or jumps out of the node i, that is, the node i is traversed by the aircraft. If, y i = 1, otherwise y i = 0,
3) It is a traverse route circuit constraint, which is a restriction that no subloop solution occurs during flight. The traverse route circuit constraint formula is as follows.
In step S2, the start point coordinates of the aircraft, the end point coordinates, the spatial position coordinates of all the correction points in the flight area, and the instance information including the error correction type including the horizontal error correction type and the vertical error correction type are acquired. ,
In step S3, a plurality of selectable schemes are acquired and selected by operating a heuristic neighborhood search algorithm to obtain an instance.
前記制約条件は、累積水平誤差及び累積垂直誤差制約をさらに含み、航空機がノードiからノードjに到達したときに理想的な誤差補正を行うか否かについて、以下の2つの状況に分けられ、
状況1では、航空機がノードi からノードj に到達し、理想的な誤差補正を行うことができる場合には、制約式が以下のとおりである累積水平誤差及び累積垂直誤差が最大測位誤差範囲内であるという限定をして、飛行経路の有効性を保証し、
式中、θは、累積誤差閾値であり、hj は、航空機がノードjの位置に到達したときの総水平ずれ量であり、vj は、航空機がノードj の位置に到達したときの総垂直ずれ量であり、Hは、水平補正点集合であり、
は、ノードiが集合Hに属するか否かを示すバイナリ変数であり、ノードがi∈Hであれば、
であり、そうでなければ、
であり、
Vは、垂直補正点集合であり、
は、ノードiが集合Vに属するか否かを示すバイナリ変数であり、ノードがi∈Vであれば、
であり、そうでなければ、
であり、δは、航空機が1m飛行する毎に水平誤差と垂直誤差の増加量であり、
状況2では、航空機がノードiからノードjまで飛行し、理想的な誤差補正を行うことができない場合には、次のノードkを選択して誤差補正を行い、このときに累積水平誤差及び累積垂直誤差の制約式が以下のとおりであり、
式中、Pijk は、航空機がノードi、j、kを順次トラバースしているか否かを示すバイナリ変数であり、航空機がノードi、j、kを順次トラバースすれば、Pijk =1であり、そうでなければ、Pijk =0であり、djkは、ノードjからノードkまでの航空機の距離であり、
は、ノードkが集合Hに属するか否かを示すバイナリ変数であり、ノードk∈Hであれば、
であり、そうでなければ、
であり、ηは、補正マージンであり、単位がmであり、η∈[2,8] であり、Dは、補正に失敗したノード集合であり、Sは、誤差補正が0である確率がξであるノード集合である。
The constraints further include cumulative horizontal error and cumulative vertical error constraints, and can be divided into the following two situations regarding whether or not to perform ideal error correction when the aircraft reaches node j from node i.
In Situation 1, if the aircraft reaches node j from node i and can perform ideal error correction, the constraint equations are as follows: Cumulative horizontal error and cumulative vertical error are within the maximum positioning error range. Guarantee the effectiveness of the flight path by limiting that
In the equation, θ is the cumulative error threshold, h j is the total horizontal displacement when the aircraft reaches the position of node j, and v j is the total when the aircraft reaches the position of node j. It is the amount of vertical deviation, and H is a set of horizontal correction points.
Is a binary variable indicating whether or not the node i belongs to the set H, and if the node is i ∈ H,
And otherwise
And
V is a set of vertical correction points,
Is a binary variable indicating whether or not the node i belongs to the set V, and if the node is i ∈ V,
And otherwise
And δ is the amount of increase in horizontal error and vertical error for each 1 m flight of the aircraft.
In
In the equation, Pijk is a binary variable indicating whether or not the aircraft is traversing the nodes i, j, k in sequence, and if the aircraft traverses the nodes i, j, k in sequence, Pijk = 1. Otherwise, Pijk = 0 and d jk is the distance of the aircraft from node j to node k.
Is a binary variable indicating whether or not the node k belongs to the set H, and if the node k ∈ H,
And otherwise
, Η is the correction margin, the unit is m, η ∈ [2,8], D is the set of nodes that failed to correct, and S is the probability that the error correction is 0. It is a set of nodes that is ξ.
さらに、前記ヒューリスティックな近傍探索アルゴリズムを運用してインスタンスを求めることは、以下のステップA〜Dを含む。
ステップAでは、最大サイクル回数と、累積誤差閾値θと、第1垂直誤差閾値及び第1水平誤差閾値である垂直誤差補正条件と、第2垂直誤差閾値及び第2水平誤差閾値である水平誤差補正条件と、最小旋回半径、航空機の1m飛行する毎の誤差増分と、を含む初期パラメータ及び前記インスタンス情報を入力し、
ステップBでは、以下の(1)〜(3)のように関連候補点集合P4 を決定し、
(1)ノード集合Nにおいて、航空機がトラバースしていないノードを次の候補ノードとして選定し、航空機が現在ノードから次の候補ノードまで到達する際に累積水平誤差及び累積垂直誤差がいずれも累積誤差閾値θよりも小さいノードを選定し、集合P1 に記憶し、
(2)P1 において、航空機の現在ノードのX軸座標値よりも大きいX軸座標値を有するノードを選定し、候補点集合P2 に記憶し、
(3)航空機の累積誤差値が大きいことを回避するために、現在の航空機の累積水平誤差値及び累積垂直誤差値に基づいて、次の点に到達する際に校正を必要とする誤差値タイプを選定し、かつ以下の2種類の方法で候補点集合P4 を決定し、
方法1では、
a、集合P2 において、垂直誤差が第1垂直誤差閾値以下で水平誤差が第1水平誤差閾値以下であるという垂直補正条件を満たすノードを選定して集合P3 を構成し、P2 において垂直補正条件を満たすノードが存在しなければ、P2 において、垂直誤差が第2垂直誤差閾値以下で水平誤差が第2水平誤差閾値以下であるという水平補正条件を満たすノードを選定して集合P3 を構成し、
b、航空機の現在ノード及び前のノードの位置座標を決定し、前記P3 におけるいずれかの点を次のノードとしてランダムに選択し、この3つのノードが空間三角形を構成し、現在ノードから次のノードに到達するときの旋回半径を求め、計算して得られた旋回半径が最小旋回半径Rmin よりも大きければ、集合P3 から選択された該ノードが旋回半径制約を満たし、該ノードを候補点集合P4 に記憶し、P3 から旋回半径制約を満たす全てのノードを選択して候補点集合P4 を構成し、
方法2では、
集合P2 における完全な校正を実現できるか又は補正マージンηを満たす垂直補正点を候補点集合P4 として選定し、そうでなければ、集合P2 における完全に校正できる又は補正マージンηを満たす水平補正点を候補点集合P4 として選定し、
ステップCでは、候補点集合P4 からいずれかのノードを選択して一歩前進して現在ノードとし、次のノードの候補点集合P4 を決定し、具体的な方法は、以下のとおりである。
ステップBで得られた候補点集合P4 からいずれかのノードを選択して一歩前進して現在ノードとし、ステップBに戻って、その次のノードの候補点集合P4 を選択し、その次のノードの候補点集合P4 が空集合であれば、ステップBで得られた候補点集合P4 に戻り、他のノードを現在ノードとして選択し、計算を続け、候補点集合P4 における全てのノードを現在ノードとし、ステップBに戻って取得された次のノードの候補点集合P4 がいずれも空集合であれば、元の候補点集合P4 の現在ノードを死点として取得し、該現在ノードの前のノードに戻し、該前のノードを現在ノードとして再計算し、
ステップB、Cでは、空でない各候補点集合P4 に対して終点座標が含まれているか否かを判断し、含まれていれば、航跡を保存してステップDに進み、そうでなければ、ステップB、Cに戻って次のノードの候補点集合P4 を決定し続け、
ステップDでは、1つの航跡を得る毎にサイクル回数が1回増加し、累積サイクル回数が最大サイクル回数に達するか否かを判断し、達していなければ、ステップAに戻り、新たな航跡を探索し続け、そうでなければ、全ての航跡を出力する。
Further, operating the heuristic neighborhood search algorithm to obtain an instance includes the following steps A to D.
In step A, the maximum number of cycles, the cumulative error threshold θ, the vertical error correction conditions that are the first vertical error threshold and the first horizontal error threshold, and the horizontal error correction that is the second vertical error threshold and the second horizontal error threshold. Enter the initial parameters including the conditions, the minimum turning radius, the error increment for each 1 m flight of the aircraft, and the instance information.
In step B, the related candidate point set P 4 is determined as shown in (1) to (3) below.
(1) In the node set N, the node that the aircraft has not traversed is selected as the next candidate node, and when the aircraft reaches from the current node to the next candidate node, both the cumulative horizontal error and the cumulative vertical error are cumulative errors. Select nodes smaller than the threshold θ , store them in the set P 1, and store them.
(2) In P 1 , a node having an X-axis coordinate value larger than the X-axis coordinate value of the current node of the aircraft is selected, stored in the candidate point set P 2, and stored.
(3) Error value type that needs to be calibrated when reaching the next point based on the current cumulative horizontal and cumulative vertical error values of the aircraft to avoid large cumulative error values of the aircraft. And determine the candidate point set P 4 by the following two methods,
In method 1,
a, in the set P 2, constitute a set P 3 to select the vertical correction satisfying node called vertical error horizontal error below the first vertical error threshold is less than or equal to the first horizontal error threshold, vertically in P 2 If there is no node that satisfies the correction condition, in P 2 , a node that satisfies the horizontal correction condition that the vertical error is equal to or less than the second vertical error threshold and the horizontal error is equal to or less than the second horizontal error threshold is selected and set P 3 Configure and
b, determining the position coordinates of the current node and the previous node of the aircraft, the any point in the P 3 randomly selected as the next node, this three nodes constitute a space triangular, following the current node If the turning radius obtained by obtaining the turning radius when reaching the node of is larger than the minimum turning radius R min, the node selected from the set P 3 satisfies the turning radius constraint, and the node is selected. stored in the candidate point set P 4, constitute the candidate point set P 4 by selecting all the nodes that satisfy the turning radius constraints from P 3,
In
A vertical correction point that can achieve perfect calibration in set P 2 or satisfies the correction margin η is selected as the candidate point set P 4 , otherwise horizontal that can be completely calibrated in set P 2 or satisfies the correction margin η. selects the correction point as the candidate point set P 4,
In step C, the current and node a step forward by selecting one of the nodes from the candidate point set P 4, and determining the candidate point set P 4 of the next node, the specific method is as follows ..
Select one of the candidates from the candidate point set P 4 obtained in step B, take a step forward to make it the current node, return to step B, select the candidate point set P 4 of the next node, and then If the candidate point set P 4 of the node is an empty set, return to the candidate point set P 4 obtained in step B, select another node as the current node, continue the calculation, and all in the candidate point set P 4 If the candidate point set P 4 of the next node acquired by returning to step B is an empty set, the current node of the original candidate point set P 4 is acquired as a dead point. Return to the node before the current node, recalculate the previous node as the current node, and
Step B, In C, it is determined whether contains the end point coordinates for each candidate point set P 4 is not empty, if it contains, the process proceeds to step D to save the track, otherwise , step B, and back to the C continues to determine the candidate point set P 4 of the next node,
In step D, the number of cycles increases by 1 each time one track is obtained, and it is determined whether or not the cumulative number of cycles reaches the maximum number of cycles. If not, the process returns to step A and a new track is searched for. Continue to, otherwise output all wakes.
さらに、航空機の旋回半径の計算方法は、ヘロンの公式に基づいて得られ、具体的には、以下のとおりであり、
図1に示すように、航空機がノードi、j、kを順次トラバースした場合には、ノードi、j、kは、1つの空間三角形を形成し、その内接円の半径がRであると仮定すると、三角形を、それぞれdij、djk、dikを底辺とし、面積がそれぞれs1 、s2 、s3 である3つの三角形に分る。ヘロンの公式に基づいて、以下のとおりであり、
したがって、得られた旋回半径の計算方法は、以下のとおりである。
式中、Rijk は、旋回半径であり、sは、ノードi、j、kで囲まれた三角形の面積であり、pは、ノードi、j、kで囲まれた三角形の半周長である。
Furthermore, the calculation method of the turning radius of the aircraft is obtained based on Heron's formula, and specifically, it is as follows.
As shown in FIG. 1, when the aircraft traverses the nodes i, j, and k in sequence, the nodes i, j, and k form one space triangle, and the radius of the inscribed circle thereof is R. Assuming, the triangles are divided into three triangles with the bases d ij , d jk , and di k, respectively, and the areas s 1 , s 2 , and s 3 , respectively. Based on Heron's formula,
Therefore, the calculation method of the obtained turning radius is as follows.
In the equation, R ijk is the turning radius, s is the area of the triangle surrounded by nodes i, j, k, and p is the semiperimeter of the triangle surrounded by nodes i, j, k. ..
本発明は、航空機の異なる実際の飛行環境における有効な航跡の急速計画の問題に対して、最小化経路及び最小化補正回数を目的関数とし、経路バランス制約、経路唯一性制約、トラバース経路回路制約などの多目的多制約の数学的最適化モデルを確立すると同時に、焼きなまし思想を組み合わせて局所最適化ノードを航空機の次のトラバーサルノードとして探し、かつ対応する探索ステップサイズを規定することによりアルゴリズムの収束性能を向上させるヒューリスティックな近傍探索アルゴリズムを提供し、本発明によって優れた航跡ルートを迅速に取得することができる。 The present invention uses the minimization path and the number of minimization corrections as objective functions for the problem of rapid planning of effective tracks in different actual flight environments of aircraft, and has a route balance constraint, a route uniqueness constraint, and a traverse route circuit constraint. At the same time as establishing a mathematical optimization model of multi-objective and multi-constraints such as, the convergence performance of the algorithm is determined by searching for the local optimization node as the next traversal node of the aircraft by combining the tanning ideas and specifying the corresponding search step size. A heuristic neighborhood search algorithm for improving the above is provided, and an excellent track route can be quickly obtained by the present invention.
本発明の技術的特徴、目的及び有益な効果をより明確に理解するために、図面を参照しながら本発明の実施例をさらに説明する。実施例は、本発明をさらに説明するためのものに過ぎず、本発明の保護範囲を制限するものであると理解すべきではなく、当業者であれば本発明の内容に基づいて行われたいくつかの本質的でない改良及び調整も本発明の保護範囲に属する。
具体的には、本発明の多制約条件下でスマート航空機の航跡を急速に計画する方法は、以下のステップ1〜5を含む。
ステップ1では、航空機の航跡計画の特徴を総合的に分析し、以下の(1)及び(2)ように仮定する。
(1)航空機の大きさを無視して航空機を質点に簡略化し、地形及び障害物の航空機の飛行中に対する影響を無視する。
(2)航空機のノード間の飛行経路がユークリッド距離である。
In order to better understand the technical features, purpose and beneficial effects of the present invention, examples of the present invention will be further described with reference to the drawings. It should not be understood that the examples are merely for further explaining the present invention and limiting the scope of protection of the present invention, and those skilled in the art have made it based on the contents of the present invention. Some non-essential improvements and adjustments also fall within the scope of the invention.
Specifically, the method of rapidly planning the track of a smart aircraft under the multi-constrained conditions of the present invention includes the following steps 1-5.
In step 1, the characteristics of the aircraft track plan are comprehensively analyzed, and the following assumptions (1) and (2) are made.
(1) Ignore the size of the aircraft, simplify the aircraft to mass points, and ignore the effects of terrain and obstacles on the aircraft during flight.
(2) The flight path between the nodes of the aircraft is the Euclidean distance.
ステップ2では、数学モデル及び制約条件を確立する。
航空機の最適な航跡ルートを計画する問題について、飛行領域内の補正点に基づいて、それを、複数組のルートを探すことに変換し、航空機が最大誤差範囲を満たして最少補正点を通ると共に航空機の飛行中に垂直及び水平誤差補正をタイムリーに行うことを保証し、航空機のA点からB点までの航跡経路を最短にすることができる。以下のような目的関数を作成する。
In
For the problem of planning the optimal wake route for an aircraft, based on the correction points in the flight area, it is converted into searching for multiple sets of routes, as the aircraft meets the maximum margin of error and passes through the minimum correction points. It guarantees timely vertical and horizontal error correction during the flight of the aircraft and can minimize the wake path from point A to point B of the aircraft. Create the following objective function.
制約条件は以下のとおりである。
The constraints are as follows.
目的関数について、目的関数のF1 は、最短経路であり、F2 は、最少補正点である。
制約条件について、制約条件(1)と(2)は、経路バランス制約であり、いずれかのノードkに関して航空機が一回の飛び込みと飛び出しのみを行い、すなわち、航空機が該ノードをトラバースした後に該ノードをトラバースすることがないという制限をし、制約条件(3)は、航空機がトラバースするノードの数及び飛行経路の本数の一次式であり、飛行経路の唯一性を保証し、制約条件(4)と(5)は、トラバース経路回路制約であり、航空機が飛行中に何もないサブループ解が発生しないことを保証し、制約条件(6)及び(7)は、補正誤差制約であり、各々累積水平誤差及び累積垂直誤差が許容される最大測位誤差以下であるという制限をして、飛行経路の有効性を保証し、制約条件(8)は、2つのノードの距離が最大測位誤差に許容される飛行の最大距離以下であるという制限をし、式(9)は、航空機がノードi、j、kを順次トラバースするという制約をし、式(11)及び式(12)は、制約条件(6)及び(7)の誘導制約であり、すなわち、航空機が環境要因により成功裏に補正できるか否かを考慮し、成功裏に補正できれば、式(11)及び式(12)を選択し、そうでなければ、(6)及び(7)を選択し、式(10)は、航空機の旋回半径制約である。
Regarding the objective function, F 1 of the objective function is the shortest path, and F 2 is the minimum correction point.
Regarding the constraints, the constraints (1) and (2) are route balance constraints, in which the aircraft makes only one dive and jump for any node k, i.e., after the aircraft traverses the node. The constraint (3) is a linear expression of the number of nodes and the number of flight paths that the aircraft traverses, guaranteeing the uniqueness of the flight path, and the constraint (4). ) And (5) are traverse path circuit constraints, ensuring that no empty subloop solution occurs during flight, and constraints (6) and (7) are correction error constraints, respectively. The validity of the flight path is guaranteed by limiting the cumulative horizontal error and the cumulative vertical error to be less than or equal to the maximum allowable positioning error, and the constraint (8) is that the distance between the two nodes is acceptable for the maximum positioning error. Equation (9) constrains the aircraft to traverse nodes i, j, k in sequence, and equations (11) and (12) are constraints. The guidance constraints of (6) and (7), that is, considering whether or not the aircraft can be successfully corrected due to environmental factors, and if it can be successfully corrected, select equations (11) and (12). , Otherwise, select (6) and (7), and equation (10) is the turning radius constraint of the aircraft.
符号を説明する。
Nは、飛行領域内の補正点のノード集合である。
i、j、kは、ノード集合Nにおけるi、j、k番目のノードの略号である。
nは、ノード集合Nにおけるノードの総数である。
dijは、ノードiからノードjまでの航空機の距離である。
xijは、航空機がノードiからノードjまで飛行しているか否かを示すバイナリ変数であり、航空機がノードiからノードjまで飛行すれば、xij=1であり、そうでなければxij=0である。
xikは、航空機がノードiからノードkまで飛行しているか否かを示すバイナリ変数であり、航空機がノードiからノードkまで飛行すれば、xik=1であり、そうでなければxik=0である。
xkjは、航空機がノードkからノードjまで飛行しているか否かを示すバイナリ変数であり、航空機がノードkからノードjまで飛行すれば、xkj=1であり、そうでなければxkj=0である。
yi は、ノードiが航空機によりトラバースされているか否かを示すバイナリ変数であり、航空機が該ノードiから飛び出したり、飛び込んだりすれば、すなわち、ノードiが航空機によりトラバースされたことを表せば、yi =1であり、そうでなければ、yi =0である。
The symbols will be described.
N is a set of nodes of correction points in the flight area.
i, j, and k are abbreviations for the i, j, and kth nodes in the node set N.
n is the total number of nodes in the node set N.
di ij is the distance of the aircraft from node i to node j.
x ij is a binary variable indicating whether or not the aircraft is flying from node i to node j. If the aircraft flies from node i to node j, x ij = 1, otherwise x ij. = 0.
x ik is a binary variable indicating whether or not the aircraft is flying from node i to node k. If the aircraft flies from node i to node k, x ik = 1, otherwise x ik. = 0.
x kj is a binary variable indicating whether or not the aircraft is flying from node k to node j. If the aircraft flies from node k to node j, x kj = 1, otherwise x kj. = 0.
y i is a binary variable indicating whether or not the node i is traversed by the aircraft, and if the aircraft jumps out or jumps out of the node i, that is, if the node i is traversed by the aircraft. , Y i = 1, otherwise y i = 0.
δは、航空機が1m飛行する毎に水平誤差と垂直誤差の増加量である。
θは、累積誤差閾値である。
hj は、航空機がノードjの位置に到達したときの総水平ずれ量である。hk は、航空機がノードkの位置に到達したときの総水平ずれ量である。
vj は、航空機がノードjの位置に到達したときの総垂直ずれ量である。vk は、航空機がノードkの位置に到達したときの総水平ずれ量である。
Hは、水平補正点集合であり、
は、ノードiが集合Hに属するか否かを示すバイナリ変数であり、ノードがi∈Hであれば、
であり、そうでなければ、
である。
Vは、垂直補正点集合であり、
は、ノードiが集合Vに属するか否かを示すバイナリ変数であり、ノードがi∈Vであれば、
であり、そうでなければ、
である。
δ is the amount of increase in horizontal error and vertical error for each 1 m flight of the aircraft.
θ is the cumulative error threshold.
h j is the total amount of horizontal deviation when the aircraft reaches the position of node j. h k is the total amount of horizontal deviation when the aircraft reaches the position of node k.
v j is the total amount of vertical deviation when the aircraft reaches the position of node j. v k is the total amount of horizontal deviation when the aircraft reaches the position of node k.
H is a set of horizontal correction points,
Is a binary variable indicating whether or not the node i belongs to the set H, and if the node is i ∈ H,
And otherwise
Is.
V is a set of vertical correction points,
Is a binary variable indicating whether or not the node i belongs to the set V, and if the node is i ∈ V,
And otherwise
Is.
δは、航空機が1m飛行する毎に水平誤差と垂直誤差の増加量である。
Pijk は航空機がノードi、j、kを順次トラバースしているか否かを示すバイナリ変数であり、航空機がノードi、j、kを順次トラバースすれば、Pijk =1であり、そうでなければ、Pijk =0である。
djkは、ノードjからノードkまでの航空機の距離である。
は、ノードkが集合Hに属するか否かを示すバイナリ変数であり、ノードk∈Hであれば、
であり、そうでなければ、
である。
ηは、補正マージンであり、単位がmであり、η∈[2,8] である。
δ is the amount of increase in horizontal error and vertical error for each 1 m flight of the aircraft.
P ijk is a binary variable that indicates whether the aircraft is traversing nodes i, j, k in sequence, and if the aircraft traverses nodes i, j, k in sequence, P ijk = 1, otherwise. For example, Pijk = 0.
d jk is the distance of the aircraft from node j to node k.
Is a binary variable indicating whether or not the node k belongs to the set H, and if the node k ∈ H,
And otherwise
Is.
η is the correction margin, the unit is m, and η ∈ [2,8].
Dは、補正に失敗したノード集合である。Sは、誤差補正が0である確率がξであるノード集合である。
Rijk は、旋回半径である。Rmin は、最小旋回半径である。
Sijk は、ノードi、j、kで囲まれた三角形の面積である。
djkは、ノードjからノードkまでの距離である。dikは、ノードiからノードkまでの距離である。
pは、ノードi、j、kで囲まれた三角形の半周長である。
D is a set of nodes that failed to be corrected. S is a set of nodes whose probability that the error correction is 0 is ξ.
R ijk is the turning radius. R min is the minimum turning radius.
S ijk is the area of a triangle surrounded by nodes i, j, k.
d jk is the distance from node j to node k. di ik is the distance from node i to node k.
p is the semiperimeter of the triangle surrounded by the nodes i, j, k.
ステップ3では、多制約条件下でスマート航空機の航跡を急速に計画する方法のインスタンスを計算し、オリジナルなインスタンス情報を表1に示す。Aノードは、開始位置座標であり、Bノードは、終了位置座標であり、補正点属性タイプは、I、II類に分類され、I類において、0は、水平誤差補正点(航空機が該補正点を通ると、水平誤差を自動的に0にリセットする)を表し、1は、垂直誤差補正点(航空機が該補正点を通ると、垂直誤差を自動的に0にリセットする)を表し、II類において、1は、ある誤差を成功裏に0に補正できる確率ξが0.8であることを表し、0は、ある誤差を成功裏に0に補正できることを表す。
In
ステップ4では、出発点をA点(0,50000,5000)とし、目的地をB点(100000,59652.34,5022)とし、99個の空間ノードの中で、航跡長さができるだけ小さくて補正領域を通って補正された、回数ができるだけ少ない航跡計画を探し、制約条件の具体的な値を線形化して求める。
In
以下は、ヒューリスティックな近傍探索アルゴリズムを運用して求める具体的なステップである。
ステップAでは、初期パラメータ及びインスタンス情報を入力する。インスタンス情報を表1に示す。初期パラメータは以下のとおりである。
(1)最大サイクル回数が100である。
(2)累積誤差閾値θ=30であり、航空機が1m飛行する毎に誤差がδ増加する。値はδ=0.001である。
(3)垂直誤差補正条件について、航空機の垂直誤差がα1 =25m以下であり、水平誤差がα2 =15m以下である。
(4)水平誤差補正条件について、航空機の垂直誤差がβ1 =20m以下であり、水平誤差がβ2 =25m以下である。
(5)航空機は、旋回時に構造及び制御システムによって制限され、その最小旋回半径がRmin =200mである。
(6)補正マージンηは5である。
同時に以下のような誤差補正規定を作る。
出発地A点では、航空機の垂直及び水平誤差はいずれも0であり、垂直誤差補正点で航空機に対して垂直誤差補正を行った後、その垂直誤差が0となり、水平誤差がそのままとなり、水平誤差補正点で航空機に対して水平誤差補正を行った後、その水平誤差が0となり、垂直誤差がそのままとなると設定する。
The following are specific steps to be obtained by operating a heuristic neighborhood search algorithm.
In step A, the initial parameters and instance information are input. The instance information is shown in Table 1. The initial parameters are as follows.
(1) The maximum number of cycles is 100.
(2) The cumulative error threshold value θ = 30, and the error increases by δ each time the aircraft flies 1 m. The value is δ = 0.001.
(3) Regarding the vertical error correction conditions, the vertical error of the aircraft is α 1 = 25 m or less, and the horizontal error is α 2 = 15 m or less.
(4) Regarding the horizontal error correction conditions, the vertical error of the aircraft is β 1 = 20 m or less, and the horizontal error is β 2 = 25 m or less.
(5) The aircraft is restricted by the structure and control system when turning, and its minimum turning radius is R min = 200 m.
(6) The correction margin η is 5.
At the same time, the following error correction rules are created.
At the departure point A, the vertical and horizontal errors of the aircraft are both 0, and after correcting the vertical error for the aircraft at the vertical error correction point, the vertical error becomes 0, the horizontal error remains as it is, and it is horizontal. After correcting the horizontal error for the aircraft at the error correction point, it is set that the horizontal error becomes 0 and the vertical error remains as it is.
ステップBでは、以下の(1)〜(3)のように関連候補点集合P4 を決定する。
(1)ノード集合Nにおいて、航空機がトラバースしていないノードを次の候補ノードとして選定し、航空機が現在ノードから次の候補ノードまで到達する際に累積水平誤差及び累積垂直誤差がいずれも累積誤差閾値θよりも小さいノードを選定し、集合P1 に記憶する。
(2)P1 において、航空機の現在ノードのX軸座標値よりも大きいX軸座標値を有するノードを選定し、候補点集合P2 に記憶する。
(3)航空機の累積誤差値が大きいことを回避するために、現在の航空機の累積水平誤差値及び累積垂直誤差値に基づいて、次の点に到達する際に校正を必要とする誤差値タイプを選定し、かつ以下の2種類の方法で候補点集合P4 を決定する。
In step B, the related candidate point set P 4 is determined as shown in (1) to (3) below.
(1) In the node set N, the node that the aircraft has not traversed is selected as the next candidate node, and when the aircraft reaches from the current node to the next candidate node, both the cumulative horizontal error and the cumulative vertical error are cumulative errors. selects a smaller nodes than the threshold theta, and stores the set P 1.
(2) In P 1 , a node having an X-axis coordinate value larger than the X-axis coordinate value of the current node of the aircraft is selected and stored in the candidate point set P 2.
(3) Error value type that needs to be calibrated when reaching the next point based on the current cumulative horizontal and cumulative vertical error values of the aircraft to avoid large cumulative error values of the aircraft. Is selected, and the candidate point set P 4 is determined by the following two methods.
方法1では、
a、集合P2 において、垂直誤差が第1垂直誤差閾値α1以下で水平誤差が第1水平誤差閾値α2以下であるという垂直補正条件を満たすノードを選定して集合P3 を構成し、P2 において垂直補正条件を満たすノードが存在しなければ、P2 において、垂直誤差が第2垂直誤差閾値β1以下で水平誤差が第2水平誤差閾値β2以下であるという水平補正条件を満たすノードを選定して集合P3 を構成し、
b、航空機の現在ノード及び前のノードの位置座標を決定し、上記P3 におけるいずれかの点を次のノードとしてランダムに選択し、この3つのノードが空間三角形を構成し、現在ノードから次のノードに到達するときの旋回半径を求め、計算して得られた旋回半径が最小旋回半径Rmin よりも大きければ、集合P3 から選択された該ノードが旋回半径制約を満たすので、該ノードを候補点集合P4 に記憶する。P3 から旋回半径制約を満たす全てのノードを選択して候補点集合P4 を構成する。
In method 1,
a, configured in the set P 2, the set P 3 to select the vertical correction satisfying node called vertical error horizontal error in the first vertical error threshold alpha 1 or less is first horizontal error threshold alpha 2 or less, If there is no node that satisfies the vertical correction condition in P 2 , the horizontal correction condition that the vertical error is the second vertical error threshold β 1 or less and the horizontal error is the second horizontal error threshold β 2 or less is satisfied in P 2. Select the nodes to form the set P 3 and
b, determines the current node and the position coordinates of the previous node of the aircraft, randomly selects any point in the P 3 as the next node, this three nodes constitute a space triangular, following the current node If the turning radius obtained by obtaining the turning radius when reaching the node of is larger than the minimum turning radius R min, the node selected from the set P 3 satisfies the turning radius constraint, and therefore the node a is stored in the candidate point set P 4. Select all the nodes satisfying the turning radius constraint from P 3 to form the candidate point set P 4 .
方法2では、
集合P2 における完全な校正を実現できるか又は補正マージンηを満たす垂直補正点を候補点集合P4 として選定し、そうでなければ、集合P2 における完全に校正できる又は補正マージンηを満たす水平補正点を候補点集合P4 として選定する。
ステップCでは、候補点集合P4 からいずれかのノードを選択して一歩前進して現在ノードとし、次のノードの候補点集合P4 を決定する。具体的な方法は、以下のとおりである。
In
A vertical correction point that can achieve perfect calibration in set P 2 or satisfies the correction margin η is selected as the candidate point set P 4 , otherwise horizontal that can be completely calibrated in set P 2 or satisfies the correction margin η. selecting a correction point as candidate point set P 4.
In step C, the current and node a step forward by selecting one of the nodes from the candidate point set P 4, determines the candidate point set P 4 of the next node. The specific method is as follows.
ステップBで得られた候補点集合P4 からいずれかのノードを選択して一歩前進して現在ノードとし、ステップBに戻って、その次のノードの候補点集合P4 を選択し、その次のノードの候補点集合P4 が空集合であれば、ステップBで得られた候補点集合P4 に戻り、他のノードを現在ノードとして選択し、計算を続ける。候補点集合P4 における全てのノードを現在ノードとし、ステップBに戻って取得された次のノードの候補点集合P4 がいずれも空集合であれば、元の候補点集合P4 の現在ノードを死点として取得し、該現在ノードの前のノードに戻し、該前のノードを現在ノードとして再計算する。
ステップB、Cでは、空でない各候補点集合P4 に対して終点座標が含まれているか否かを判断し、含まれていれば、航跡を保存してステップDに進み、そうでなければ、ステップB、Cに戻って次のノードの候補点集合P4 を決定し続ける。
ステップDでは、1つの航跡を得る毎にサイクル回数が1回増加し、累積サイクル回数が最大サイクル回数に達するか否かを判断し、達していなければ、ステップAに戻り、新たな航跡を探索し続け、そうでなければ、全ての航跡を出力する。
Select one of the nodes from the candidate point set P 4 obtained in step B, take a step forward to make it the current node, return to step B, select the candidate point set P 4 of the next node, and then If the candidate point set P 4 of the node of is an empty set, the process returns to the candidate point set P 4 obtained in step B, another node is selected as the current node, and the calculation is continued. If all the nodes in the candidate point set P 4 are the current nodes, and if the candidate point set P 4 of the next node acquired by returning to step B is an empty set, the current node of the original candidate point set P 4 Is acquired as a dead point, returned to the node before the current node, and the previous node is recalculated as the current node.
Step B, In C, it is determined whether contains the end point coordinates for each candidate point set P 4 is not empty, if it contains, the process proceeds to step D to save the track, otherwise , Steps B and C, and continue to determine the candidate point set P 4 of the next node.
In step D, the number of cycles increases by 1 each time one track is obtained, and it is determined whether or not the cumulative number of cycles reaches the maximum number of cycles. If not, the process returns to step A and a new track is searched for. Continue to, otherwise output all wakes.
ステップ5では、計算結果の解析をする。
(1)ステップ4に記載の方法の内、方法1を選択して候補点集合P4 を取得し、求めて計算して複数組の互いに支配的ではないスキームを得る。そのうちの2つのスキームを選択し、表2、図2に示す。
In
(1) of the method described in
以上から分かるように、スキーム1に関して、航空機は、開始と終了位置を除く9つのノードを通り、開始位置Aから終了位置Bに到達でき、最小トラバース経路の和が120787.00mであり、かつ各ノードに到達する累積誤差が、いずれも関連の水平誤差及び垂直誤差制約よりも小さく、かつ設定された最小半径制約を満たす。スキーム2に関して、航空機がトラバースしたノードは10個であるが、求められた最小経路の和は、119754.84mであり、2つのスキームを対比すると、多目的に求める過程では互いに支配的ではない解が保留され、それぞれ優れたところがあることが見られる。
As can be seen from the above, with respect to Scheme 1, the aircraft can reach the end position B from the start position A through nine nodes excluding the start and end positions, the sum of the minimum traverse routes is 120787.00 m, and each The cumulative error reaching the node is both smaller than the associated horizontal and vertical error constraints and satisfies the set minimum radius constraint. Regarding
(2)ステップ4に記載の方法の内、方法2を選択して候補点集合P4 を取得し、求めて計算して複数組の互いに支配的ではないスキームを得る。そのうちの2つのスキームを選択し、表3、図3に示す。
(2) of the method described in
表3から分かるように、空間ノード数が99個であるという前提では、補正不確定制約を考慮して、スキーム3では、航空機は、起点、終点位置を除く8つのノードを通り、最小トラバース経路の和は、118132.68mであり、スキーム4では、航空機が起点、終点位置を除く9つのノードを通るが、求められた最小トラバース経路の和は、117006.88mであり、2つのスキームを対比すると、多目的に求める過程では互いに支配的ではない解が保留され、それぞれ優れたところがあることが見られる。
As can be seen from Table 3, assuming that the number of spatial nodes is 99, considering the correction uncertainty constraint, in
以上、本発明に関する内容について説明したが、当業者は、これらの説明に基づいて本発明を実現することができる。本発明の上記内容に基づいて、当業者が創造性のある行為を必要とせずに得られる他の実施例はすべて本発明の保護範囲に含まれるべきである。 Although the contents relating to the present invention have been described above, those skilled in the art can realize the present invention based on these explanations. Based on the above contents of the present invention, all other examples obtained by those skilled in the art without the need for creative acts should be included in the scope of protection of the present invention.
Claims (4)
ステップS1では、航空機の航跡計画の特徴を分析し、多目的関数で多制約条件の数学的最適化モデルを確立し、
航空機の航跡計画の特徴に基づいて、航空機の大きさを無視して航空機を質点に簡略化し、航空機のノード間の飛行経路をユークリッド距離として、以下の数学的最適化モデルの目的関数を確立する。
を通り、
式中、Nは、飛行領域内の補正点のノード集合であり、i、jは、ノード集合Nにおけるi、j番目のノードの略号であり、dijは、ノードiからノードjまでの航空機の距離であり、xijは、航空機がノードiからノードjまで飛行しているか否かを示すバイナリ変数であり、航空機がノードiからノードjまで飛行すれば、xij=1であり、そうでなければxij=0であり、
該目的関数は、以下の1)〜3)の制約条件を満たし、
1)経路バランス制約:航空機が一回の飛び込みと飛び出しのみを行い、すなわち、航空機が該ノードをトラバースした後に該ノードをトラバースすることがないという制限であり、経路バランス制約式は以下のとおりであり、
式中、kは、ノード集合Nにおけるk番目のノードの略号であり、nは、ノード集合Nにおけるノード総数であり、xijは、航空機がノードiからノードkまで飛行しているか否かを示すバイナリ変数であり、航空機がノードiからノードkまで飛行すれば、xij=1であり、そうでなければ、xij=0であり、xkjは、航空機がノードkからノードjまで飛行しているか否かを示すバイナリ変数であり、航空機がノードkからノードjまで飛行すれば、xkj=1であり、そうでなければ、xkj=0であり、
2)経路唯一性制約:航空機が各ノードを順次トラバースし1つの有効経路のみを形成するという制限であり、経路唯一性制約式は以下のとおりであり、
式中、yi は、ノードiが航空機によりトラバースされているか否かを示すバイナリ変数であり、航空機が該ノードiから飛び出したり、飛び込んだりすれば、すなわち、ノードiが航空機によりトラバースされたことを表せば、yi =1であり、そうでなければ、yi =0であり、
3)トラバース経路回路制約:航空機が飛行中にいかなるサブループ解が発生しないという制限であり、トラバース経路回路制約式は以下のとおりであり、
ステップS2では、航空機の始点座標と、終点座標と、飛行領域内の全ての補正点の空間位置座標と、水平誤差補正タイプ及び垂直誤差補正タイプを含むその誤差補正タイプを含むインスタンス情報を取得し、
ステップS3では、ヒューリスティックな近傍探索アルゴリズムを運用してインスタンスを求めることにより、複数の選択可能なスキームを取得して選択する、
ことを特徴とする、多制約条件下でスマート航空機の航跡を急速に計画する方法。 Including the following steps S1 to S3
In step S1, the characteristics of the aircraft track plan are analyzed, a mathematical optimization model of multi-constraints is established with a multi-objective function, and the model is established.
Based on the characteristics of the aircraft's track plan, the aircraft is simplified to mass points, ignoring the size of the aircraft, and the flight path between the nodes of the aircraft is the Euclidean distance, and the objective function of the following mathematical optimization model is established. ..
Through
In the equation, N is the node set of correction points in the flight area, i and j are the abbreviations for the i and jth nodes in the node set N, and di j is the aircraft from node i to node j. X ij is a binary variable indicating whether or not the aircraft is flying from node i to node j, and if the aircraft flies from node i to node j, x ij = 1, so Otherwise, x ij = 0,
The objective function satisfies the following constraints 1) to 3).
1) Route balance constraint: The restriction is that the aircraft makes only one dive and jump, that is, the aircraft does not traverse the node after traversing the node, and the route balance constraint formula is as follows. can be,
In the equation, k is the abbreviation for the kth node in the node set N, n is the total number of nodes in the node set N, and x ij is whether or not the aircraft is flying from node i to node k. It is a binary variable shown, and if the aircraft flies from node i to node k, then x ij = 1, otherwise x ij = 0, and x kj is that the aircraft flies from node k to node j. It is a binary variable indicating whether or not the aircraft is flying, and if the aircraft flies from node k to node j, x kj = 1, otherwise x kj = 0.
2) Route uniqueness constraint: The restriction is that the aircraft traverses each node in sequence to form only one effective route, and the route uniqueness constraint formula is as follows.
In the equation, y i is a binary variable indicating whether or not the node i is traversed by the aircraft, and if the aircraft jumps out or jumps out of the node i, that is, the node i is traversed by the aircraft. If, y i = 1, otherwise y i = 0,
3) Traverse route circuit constraint: It is a restriction that no subloop solution occurs during flight of the aircraft, and the traverse route circuit constraint formula is as follows.
In step S2, the start point coordinates of the aircraft, the end point coordinates, the spatial position coordinates of all the correction points in the flight area, and the instance information including the error correction type including the horizontal error correction type and the vertical error correction type are acquired. ,
In step S3, a heuristic neighborhood search algorithm is operated to obtain an instance to acquire and select a plurality of selectable schemes.
A method of rapidly planning the wake of a smart aircraft under multiple constraints.
状況1では、航空機がノードiからノードjに到達し、理想的な誤差補正を行うことができる場合には、制約式が以下のとおりである累積水平誤差及び累積垂直誤差が最大測位誤差範囲内であることを限定して、飛行経路の有効性を保証し、
式中、θは、累積誤差閾値であり、hj は、航空機がノードjの位置に到達したときの総水平ずれ量であり、vj は、航空機がノードjの位置に到達したときの総垂直ずれ量であり、Hは、水平補正点集合であり、
は、ノードiが集合Hに属するか否かを示すバイナリ変数であり、ノードがi∈Hであれば、
であり、そうでなければ、
であり、Vは、垂直補正点集合であり、
は、ノードiが集合Vに属するか否かを示すバイナリ変数であり、ノードがi∈Vであれば、
であり、そうでなければ、
であり、δは、航空機が1m飛行する毎に水平誤差と垂直誤差の増加量であり、
状況2では、航空機がノードiからノードjまで飛行し、理想的な誤差補正を行うことができない場合には、次のノードkを選択して誤差補正を行い、このときに累積水平誤差及び累積垂直誤差の制約式が以下のとおりであり、
式中、Pijk は、航空機がノードi、j、kを順次トラバースしているか否かを示すバイナリ変数であり、航空機がノードi、j、kを順次トラバースすれば、Pijk =1であり、そうでなければ、Pijk =0であり、djkは、ノードjからノードkまでの航空機の距離であり、
は、ノードkが集合Hに属するか否かを示すバイナリ変数であり、ノードk∈Hであれば、
であり、そうでなければ、
であり、ηは、補正マージンであり、単位がmであり、η∈[2,8] であり、Dは、補正に失敗したノード集合であり、Sは、誤差補正が0である確率がξであるノード集合であることを特徴とする、請求項1に記載の多制約条件下でスマート航空機の航跡を急速に計画する方法。 The constraints further include cumulative horizontal error and cumulative vertical error constraints, and can be divided into the following two situations regarding whether or not to perform ideal error correction when the aircraft reaches node j from node i.
In Situation 1, when the aircraft reaches node j from node i and can perform ideal error correction, the cumulative horizontal error and cumulative vertical error whose constraint equations are as follows are within the maximum positioning error range. Guarantee the effectiveness of the flight path by limiting that
In the equation, θ is the cumulative error threshold, h j is the total horizontal displacement when the aircraft reaches the position of node j, and v j is the total when the aircraft reaches the position of node j. It is the amount of vertical deviation, and H is a set of horizontal correction points.
Is a binary variable indicating whether or not the node i belongs to the set H, and if the node is i ∈ H,
And otherwise
And V is a set of vertical correction points,
Is a binary variable indicating whether or not the node i belongs to the set V, and if the node is i ∈ V,
And otherwise
And δ is the amount of increase in horizontal error and vertical error for each 1 m flight of the aircraft.
In situation 2, if the aircraft flies from node i to node j and the ideal error correction cannot be performed, the next node k is selected and error correction is performed, and at this time, the cumulative horizontal error and the cumulative error are accumulated. The constraint formula for vertical error is as follows:
In the equation, Pijk is a binary variable indicating whether or not the aircraft is traversing the nodes i, j, k in sequence, and if the aircraft traverses the nodes i, j, k in sequence, Pijk = 1. Otherwise, Pijk = 0 and d jk is the distance of the aircraft from node j to node k.
Is a binary variable indicating whether or not the node k belongs to the set H, and if the node k ∈ H,
And otherwise
, Η is the correction margin, the unit is m, η ∈ [2,8], D is the set of nodes that failed to correct, and S is the probability that the error correction is 0. The method for rapidly planning the track of a smart aircraft under the multi-constraint condition according to claim 1, wherein the node set is ξ.
ステップAでは、最大サイクル回数と、累積誤差閾値θと、第1垂直誤差閾値及び第1水平誤差閾値である垂直誤差補正条件と、第2垂直誤差閾値及び第2水平誤差閾値である水平誤差補正条件と、最小旋回半径、航空機の1m飛行する毎の誤差増分と、を含む初期パラメータ及び前記インスタンス情報を入力し、
ステップBでは、以下の(1)〜(3)のように関連候補点集合P4 を決定し、
(1)ノード集合Nにおいて、航空機がトラバースしていないノードを次の候補ノードとして選定し、航空機が現在ノードから次の候補ノードまで到達する際に累積水平誤差及び累積垂直誤差がいずれも累積誤差閾値θよりも小さいノードを選定し、集合P1 に記憶し、
(2)P1 において、航空機の現在ノードのX軸座標値よりも大きいX軸座標値を有するノードを選定し、候補点集合P2 に記憶し、
(3)航空機の累積誤差値が大きいことを回避するために、現在の航空機の累積水平誤差値及び累積垂直誤差値に基づいて、次の点に到達する際に校正を必要とする誤差値タイプを選定し、かつ以下の2種類の方法で候補点集合P4 を決定し、
方法1では、
a、集合P2 において、垂直誤差が第1垂直誤差閾値以下で水平誤差が第1水平誤差閾値以下であるという垂直補正条件を満たすノードを選定して集合P3 を構成し、P2 において垂直補正条件を満たすノードが存在しなければ、P2 において、垂直誤差が第2垂直誤差閾値以下で水平誤差が第2水平誤差閾値以下であるという水平補正条件を満たすノードを選定して集合P3 を構成し、
b、航空機の現在ノード及び前のノードの位置座標を決定し、前記P3 におけるいずれかの点を次のノードとしてランダムに選択し、この3つのノードが空間三角形を構成し、現在ノードから次のノードに到達するときの旋回半径を求め、計算して得られた旋回半径が最小旋回半径Rmin よりも大きければ、集合P3 から選択された該ノードが旋回半径制約を満たし、該ノードを候補点集合P4 に記憶し、P3 から旋回半径制約を満たす全てのノードを選択して候補点集合P4 を構成し、
方法2では、
集合P2 における完全な校正を実現できるか又は補正マージンを満たす垂直補正点を候補点集合P4 として選定し、そうでなければ、集合P2 における完全に校正できる又は補正マージンを満たす水平補正点を候補点集合P4 として選定し、
ステップCでは、候補点集合P4 からいずれかのノードを選択して一歩前進して現在ノードとし、次のノードの候補点集合P4 を決定し、具体的な方法は、以下のとおりであり、
ステップBで得られた候補点集合P4 からいずれかのノードを選択して一歩前進して現在ノードとし、ステップBに戻って、その次のノードの候補点集合P4 を選択し、その次のノードの候補点集合P4 が空集合であれば、ステップBで得られた候補点集合P4 に戻り、他のノードを現在ノードとして選択し、計算を続け、候補点集合P4 における全てのノードを現在ノードとし、ステップBに戻って取得された次のノードの候補点集合P4 がいずれも空集合であれば、元の候補点集合P4 の現在ノードを死点として取得し、該現在ノードの前のノードに戻し、該前のノードを現在ノードとして再計算し、
ステップB、Cでは、空でない各候補点集合P4 に対して終点座標が含まれているか否かを判断し、含まれていれば、航跡を保存してステップDに進み、そうでなければ、ステップB、Cに戻って次のノードの候補点集合P4 を決定し続け、
ステップDでは、1つの航跡を得る毎にサイクル回数が1回増加し、累積サイクル回数が最大サイクル回数に達するか否かを判断し、達していなければ、ステップAに戻り、新たな航跡を探索し続け、そうでなければ、全ての航跡を出力すること、
を特徴とする、請求項2に記載の多制約条件下でスマート航空機の航跡を急速に計画する方法。 Obtaining an instance by operating the heuristic neighborhood search algorithm includes the following steps A to D.
In step A, the maximum number of cycles, the cumulative error threshold θ, the vertical error correction conditions that are the first vertical error threshold and the first horizontal error threshold, and the horizontal error correction that is the second vertical error threshold and the second horizontal error threshold. Enter the initial parameters including the conditions, the minimum turning radius, the error increment for each 1 m flight of the aircraft, and the instance information.
In step B, the related candidate point set P 4 is determined as shown in (1) to (3) below.
(1) In the node set N, the node that the aircraft has not traversed is selected as the next candidate node, and when the aircraft reaches from the current node to the next candidate node, both the cumulative horizontal error and the cumulative vertical error are cumulative errors. Select nodes smaller than the threshold θ , store them in the set P 1, and store them.
(2) In P 1 , a node having an X-axis coordinate value larger than the X-axis coordinate value of the current node of the aircraft is selected, stored in the candidate point set P 2, and stored.
(3) Error value type that needs to be calibrated when reaching the next point based on the current cumulative horizontal and cumulative vertical error values of the aircraft to avoid large cumulative error values of the aircraft. And determine the candidate point set P 4 by the following two methods,
In method 1,
a, in the set P 2, constitute a set P 3 to select the vertical correction satisfying node called vertical error horizontal error below the first vertical error threshold is less than or equal to the first horizontal error threshold, vertically in P 2 If there is no node that satisfies the correction condition, in P 2 , a node that satisfies the horizontal correction condition that the vertical error is equal to or less than the second vertical error threshold and the horizontal error is equal to or less than the second horizontal error threshold is selected and set P 3 Configure and
b, determining the position coordinates of the current node and the previous node of the aircraft, the any point in the P 3 randomly selected as the next node, this three nodes constitute a space triangular, following the current node If the turning radius obtained by obtaining the turning radius when reaching the node of is larger than the minimum turning radius R min, the node selected from the set P 3 satisfies the turning radius constraint, and the node is selected. stored in the candidate point set P 4, constitute the candidate point set P 4 by selecting all the nodes that satisfy the turning radius constraints from P 3,
In method 2,
A vertical correction point that can achieve perfect calibration in the set P 2 or satisfies the correction margin is selected as the candidate point set P 4 , otherwise a horizontal correction point that can be completely calibrated in the set P 2 or satisfies the correction margin. selected as the candidate point set P 4,
In step C, the current and node a step forward by selecting one of the nodes from the candidate point set P 4, and determining the candidate point set P 4 of the next node, specific methods are as follows ,
Select one of the candidates from the candidate point set P 4 obtained in step B, take a step forward to make it the current node, return to step B, select the candidate point set P 4 of the next node, and then If the candidate point set P 4 of the node is an empty set, return to the candidate point set P 4 obtained in step B, select another node as the current node, continue the calculation, and all in the candidate point set P 4 If the candidate point set P 4 of the next node acquired by returning to step B is an empty set, the current node of the original candidate point set P 4 is acquired as a dead point. Return to the node before the current node, recalculate the previous node as the current node, and
Step B, In C, it is determined whether contains the end point coordinates for each candidate point set P 4 is not empty, if it contains, the process proceeds to step D to save the track, otherwise , step B, and back to the C continues to determine the candidate point set P 4 of the next node,
In step D, the number of cycles increases by 1 each time one track is obtained, and it is determined whether or not the cumulative number of cycles reaches the maximum number of cycles. If not, the process returns to step A and a new track is searched for. Continue to, otherwise output all wakes,
A method for rapidly planning the track of a smart aircraft under the multi-constraint condition according to claim 2.
式中、は旋回半径であり、sは、ノードi、j、kで囲まれた三角形の面積であり、pは、ノードi、j、kで囲まれた三角形の半周長であること、
を特徴とする、請求項3に記載の多制約条件下でスマート航空機の航跡を急速に計画する方法。 The calculation method of the turning radius is as follows.
In the equation, is the turning radius, s is the area of the triangle surrounded by nodes i, j, k, and p is the semiperimeter of the triangle surrounded by nodes i, j, k.
A method for rapidly planning the track of a smart aircraft under the multi-constraint condition according to claim 3.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201911420932.0 | 2019-12-31 | ||
CN201911420932.0A CN111024092B (en) | 2019-12-31 | 2019-12-31 | Method for rapidly planning tracks of intelligent aircraft under multi-constraint conditions |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021110744A true JP2021110744A (en) | 2021-08-02 |
JP6919949B2 JP6919949B2 (en) | 2021-08-18 |
Family
ID=70201582
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020219945A Active JP6919949B2 (en) | 2019-12-31 | 2020-12-30 | How to rapidly plan the wake of smart aircraft under multiple constraints |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6919949B2 (en) |
CN (1) | CN111024092B (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113625768A (en) * | 2021-09-07 | 2021-11-09 | 南京航空航天大学 | Mars helicopter flight path planning method, system, equipment and storage medium |
CN114279457A (en) * | 2021-12-23 | 2022-04-05 | 中南民族大学 | Path planning method, device, equipment and readable storage medium |
CN114460969A (en) * | 2022-02-16 | 2022-05-10 | 中银金融科技有限公司 | Unmanned aerial vehicle path planning method and device, electronic equipment and computer storage medium |
CN115691225A (en) * | 2022-08-23 | 2023-02-03 | 北京航空航天大学 | Unmanned aerial vehicle path planning method based on orthogonal time-frequency-space modulation |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112382134B (en) * | 2020-04-26 | 2021-07-30 | 北京三快在线科技有限公司 | Method and device for generating flight path, storage medium and electronic equipment |
CN111506108B (en) * | 2020-04-29 | 2023-03-21 | 西北工业大学 | Unmanned aerial vehicle indoor track planning device and method based on error correction points |
CN111595343B (en) * | 2020-04-29 | 2022-10-04 | 西北工业大学 | Unmanned aerial vehicle track planning method based on positioning error correction |
CN112066991A (en) * | 2020-09-07 | 2020-12-11 | 常州微亿智造科技有限公司 | Method and device for rapidly planning tracks of intelligent aircraft under multi-constraint condition |
CN112525195B (en) * | 2020-11-20 | 2022-03-01 | 中国人民解放军国防科技大学 | Multi-target genetic algorithm-based aircraft track rapid planning method |
CN112729308B (en) * | 2020-12-24 | 2024-05-03 | 广州融赋数智技术服务有限公司 | Unmanned aerial vehicle rapid track planning method under multi-constraint condition |
CN113051743B (en) * | 2021-03-18 | 2023-05-26 | 中国人民解放军火箭军工程大学 | Terminal guidance system based on track online planning |
CN112985418B (en) * | 2021-05-06 | 2021-08-10 | 中航信移动科技有限公司 | Aviation track data determination method, device, equipment and storage medium |
CN113311869B (en) * | 2021-05-28 | 2023-01-13 | 淮阴工学院 | Unmanned aerial vehicle path planning method under multi-constraint condition |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001033271A (en) * | 1999-06-30 | 2001-02-09 | Gya Min-Chun | Flight route plan, topography-avoidance and status recognition system, for general purpose aircraft |
JP2012174266A (en) * | 2011-02-22 | 2012-09-10 | General Electric Co <Ge> | Methods and systems for managing air traffic |
JP2014016264A (en) * | 2012-07-10 | 2014-01-30 | Fuji Heavy Ind Ltd | Avoidance route deprivation device, avoidance route deprivation program, and avoidance route deprivation method |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103913172B (en) * | 2013-12-06 | 2016-09-21 | 北京航空航天大学 | A kind of it is applicable to the paths planning method of aircraft under complicated low latitude |
CN104406593A (en) * | 2014-12-03 | 2015-03-11 | 广西民族大学 | Method for determining optimal route of airway of unmanned aerial vehicle |
US9953540B2 (en) * | 2015-06-16 | 2018-04-24 | Here Global B.V. | Air space maps |
CN109000651B (en) * | 2018-05-31 | 2022-04-19 | 上海大学 | Path planning method and path planning device |
CN110543953B (en) * | 2019-08-30 | 2022-03-29 | 西南交通大学 | Multi-target disassembly line setting method under space constraint based on wolf colony algorithm |
-
2019
- 2019-12-31 CN CN201911420932.0A patent/CN111024092B/en active Active
-
2020
- 2020-12-30 JP JP2020219945A patent/JP6919949B2/en active Active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001033271A (en) * | 1999-06-30 | 2001-02-09 | Gya Min-Chun | Flight route plan, topography-avoidance and status recognition system, for general purpose aircraft |
JP2012174266A (en) * | 2011-02-22 | 2012-09-10 | General Electric Co <Ge> | Methods and systems for managing air traffic |
JP2014016264A (en) * | 2012-07-10 | 2014-01-30 | Fuji Heavy Ind Ltd | Avoidance route deprivation device, avoidance route deprivation program, and avoidance route deprivation method |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113625768A (en) * | 2021-09-07 | 2021-11-09 | 南京航空航天大学 | Mars helicopter flight path planning method, system, equipment and storage medium |
CN113625768B (en) * | 2021-09-07 | 2023-05-23 | 南京航空航天大学 | Mars helicopter track planning method, system, equipment and storage medium |
CN114279457A (en) * | 2021-12-23 | 2022-04-05 | 中南民族大学 | Path planning method, device, equipment and readable storage medium |
CN114279457B (en) * | 2021-12-23 | 2023-10-03 | 中南民族大学 | Path planning method, device, equipment and readable storage medium |
CN114460969A (en) * | 2022-02-16 | 2022-05-10 | 中银金融科技有限公司 | Unmanned aerial vehicle path planning method and device, electronic equipment and computer storage medium |
CN115691225A (en) * | 2022-08-23 | 2023-02-03 | 北京航空航天大学 | Unmanned aerial vehicle path planning method based on orthogonal time-frequency-space modulation |
CN115691225B (en) * | 2022-08-23 | 2023-10-20 | 北京航空航天大学 | Unmanned aerial vehicle path planning method based on orthogonal time-frequency space modulation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6919949B2 (en) | 2021-08-18 |
CN111024092B (en) | 2020-10-30 |
CN111024092A (en) | 2020-04-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6919949B2 (en) | How to rapidly plan the wake of smart aircraft under multiple constraints | |
CN106525047B (en) | A kind of unmanned plane paths planning method based on floyd algorithm | |
US11385067B2 (en) | Route planning method for mobile vehicle | |
CN110715664B (en) | Intelligent unmanned aerial vehicle track rapid planning method under multi-constraint condition | |
CN108444482A (en) | A kind of autonomous pathfinding barrier-avoiding method of unmanned plane and system | |
CN111006693B (en) | Intelligent aircraft track planning system and method thereof | |
WO2020239092A1 (en) | Unmanned aerial vehicle and flight area planning method and device therefor and storage medium | |
CN109655063B (en) | Marine search route planning method for large amphibious aircraft | |
CN112327876B (en) | Robot path planning method based on terminal distance index | |
CN110726408A (en) | Mobile robot path planning method based on improved ant colony algorithm | |
CN111895999B (en) | Path planning method based on structured data | |
CN112729308B (en) | Unmanned aerial vehicle rapid track planning method under multi-constraint condition | |
CN109211242B (en) | Three-dimensional space multi-target path planning method integrating RRT and ant colony algorithm | |
CN115167398A (en) | Unmanned ship path planning method based on improved A star algorithm | |
CN114705196B (en) | Self-adaptive heuristic global path planning method and system for robot | |
CN110617819A (en) | Unmanned aerial vehicle terrain auxiliary navigation method based on ant colony algorithm path planning | |
García et al. | An efficient multi-robot path planning solution using A* and coevolutionary algorithms | |
CN114967680B (en) | Mobile robot path planning method based on ant colony algorithm and convolutional neural network | |
CN110794874A (en) | Method for rapidly planning aircraft track under constraint of positioning error | |
CN112484733B (en) | Reinforced learning indoor navigation method based on topological graph | |
CN113449910B (en) | Automatic generating method of flight path based on sequential storage binary tree | |
CN113311869A (en) | Unmanned aerial vehicle path planning method under multi-constraint condition | |
CN111006652B (en) | Robot side-by-side operation method | |
CN117249842A (en) | Unmanned vehicle mixed track planning method based on track smooth optimization | |
CN116734877A (en) | Robot dynamic obstacle avoidance method based on improved A-algorithm and dynamic window method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210119 |
|
A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20210119 |
|
A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20210325 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20210330 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20210524 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210708 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210715 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6919949 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |