一种多固定翼无人机协同区域覆盖航迹规划方法

本发明涉及一种多固定翼无人机协同区域覆盖航迹规划方法，尤其涉及一种基于动态规划法的凸多边形区域覆盖航迹规划方法，属于无人机航迹规划领域。

背景技术：

1、随着自动化技术和信息技术的迅速发展，无人机在民用和军用领域均得到了广泛的应用。但是随着应用场景的任务需求的多样化和复杂化，单架无人机执行任务的效率低，任务失败的风险大，已经越来越难以满足对应的需求。因此诞生了无人机集群，集群内多架无人机通过协同从而高效地完成复杂任务，进一步拓展了无人机的应用场景。

2、多无人机在执行协同区域覆盖任务时，最常用的方法就是使用几何航迹规划，无人机通过“z”字形扫描对覆盖区域不断来回扫描直到覆盖所有区域。不同于轮式机器人和旋翼无人机，固定翼无人机具有较大的转弯半径，因此无人机在“z”字形扫描的转弯段产生的转移路径对覆盖任务的影响不容忽略，而现有固定翼无人机区域覆盖航迹规划一般未考虑作业路径执行次序的优化问题，仅仅机械的采取固定规则求解作业路径执行次序，需要较长的转移路径，降低了无人机执行任务的效率。为了优化作业路径执行次序，现有方法大都采用混合整数线性规划或者使用智能优化算法进行求解，存在求解时间长或求解结果不稳定等缺点，不利于工程实现。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：

2、针对现有覆盖路径规划未考虑固定翼无人机转弯段路径长度对航迹长度的影响从而导致无人机执行任务效率不高等问题，本发明提供一种多固定翼无人机协同区域覆盖航迹规划方法。使用基于动态规划的方法来求解作业路径执行次序，具有求解时间快、求解结果稳定的优点。

3、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

4、一种多固定翼无人机协同区域覆盖航迹规划方法，其特征在于，步骤如下：

5、步骤1：使用douglas-peucker算法对待覆盖的区域轮廓进行简化并进行凸化，得到一不规则凸多边形；

6、步骤2：确定凸多边形最小宽度对应的方向角，无人机以所述方向角覆盖区域时的转弯次数最小；

7、步骤3：根据多边形宽度、无人机载荷视场宽度和视场重叠率计算无人机以一字编队并排扫描时的作业路径宽度和视场前向距离；

8、步骤4：根据凸多边形最小宽度对应的方向角，基于“z”字形扫描线计算编队执行区域覆盖任务时的作业路径；

9、步骤5：根据无人机到作业路径的dubins距离确定第一条作业路径和进入第一条作业路径的飞行方向；

10、步骤6：基于动态规划法求解最佳作业路径转移次序；

11、步骤7：根据作业路径转移次序计算编队覆盖航迹；

12、步骤8：根据编队覆盖航迹计算各无人机的覆盖航迹。

13、本发明进一步的技术方案：所述确定凸多边形最小宽度对应的方向角，具体为：

14、在凸多边形平面内做两条和x轴夹角为α的平行线，若这两条平行线恰好可以包络整个多边形，则这两条平行线之间的距离为该凸多边形在方向角下对应的宽度；在凸多边形区域中，垂直于多边形最小宽度的方向是无人机作业路径数量最少的方向，此时无人机的转弯次数最少。

15、本发明进一步的技术方案：所述根据多边形宽度、无人机载荷视场宽度和视场重叠率计算无人机以一字编队并排扫描时的作业路径宽度和视场前向距离，采用公式如下：

16、

17、

18、

19、

20、w＝(wb+wf)/2

21、l＝df+lf/2

22、

23、

24、dlane＝wa/n2

25、其中，dlane为作业路径宽度，doverlap为视场重叠率，w为载荷视场宽度，l为视场前向距离，lf是探测区域长度，df是为无人机在地面上的投影同探测区域中心之间的距离，wb是视场后扫描宽度，wf是视场前扫描宽度，h为飞行高度，γ为俯仰角，αm为载荷传感器安装角，αv为垂直视场张角，αh为水平视场张角，wa是多边形宽度，nuav是无人机数量，n2是编队作业路径数量。

26、本发明进一步的技术方案：所述基于“z”字形扫描线计算编队执行区域覆盖任务时的作业路径，具体为：

27、根据凸多边形最小宽度对应的方向角对区域进行旋转，即扫描方向平行与oy′轴，计算作业路径和区域的交点即为从区域左侧至右侧数起的第s条作业路径；在区域为凸多边形时，对一条作业路径求交点可以遍历所有边找到2个交点和其中y坐标较大的ps为y坐标较小的为

28、本发明进一步的技术方案：所述根据无人机到作业路径的dubins距离确定第一条作业路径和进入第一条作业路径的飞行方向，具体为：

29、规定无人机进入区域时仅能从最左侧或最右侧的作业路径进入，总共有4个进入点：当无人机从和进入区域时飞行方向为自上而下，当无人机从和进入区域时飞行方向为自下而上，计算无人机编队和4个进入点之间的dubins路径距离，选择距离最短的点作为区域进入点并设置进入作业路径的初始飞行方向。

30、本发明进一步的技术方案：所述基于动态规划法求解最佳作业路径转移次序，具体为：

31、将作业路径之间的连接关系使用完全有向图g(v,e)表示，图g(v,e)有n个顶点，顶点编号从0开始，v中任一个顶点i代表一条作业路径，任一条边eij代表顶点i到j的转移路径，并设eij的长度为cij。令d(i,v)表示从顶点i出发经过v中的各个顶点一次后回到起点s的最短路径长度，则d(i,v)的计算可以分为两类情况讨论：

32、(a)当v为空集时，d(i,v)表示直接从顶点i回到起点s，此时d(i,v)＝cis且i≠s；

33、(b)当v不为空集时，d(i,v)可以拆分为对子问题的求解，此时按下式求解：

34、d(i,v)＝min(cik+d(k,v-(k))),k∈v

35、所以最佳作业路径转移次序的动态规划方程表示如下：

36、

37、将d(i,v)存储在一n行2n-1列的表格中，行代表顶点i，列代表集合v，在计算时自下而上逐步求解，其中第n步求解时v有n-1个顶点，根据动态规划方程利用上一步的值计算下一步的值，直到求出整个问题的最终解。

38、本发明进一步的技术方案：所述根据作业路径转移次序计算编队覆盖航迹，具体为：

39、使用离散dubins航迹点计算转移路径，将转移路径连接后便得到覆盖航迹；考虑到转弯前后作业路径之间的x坐标距离dgap和无人机最小转弯半径rmin之间的关系，分以下三种情况设计转移路径：

40、(a)2rmin＜dgap

41、无人机转移路径的曲线航迹离散为由p1,p2,p3点共同组成的折线航迹，确定三个点的坐标位置，即可导引无人机使其以理想航迹飞行；p1,p2,p3航迹点位置计算如下：

42、

43、式中，若ls航带为自下而上侦察，则p1、p2和p3计算过程取和坐标计算，若ls航带为自下而上侦察，则取和坐标计算；同样地若li位于ls右侧平面，则对应的转弯段为右转转弯，x2计算过程中对应的为正，否则为负；分别为作业路径和区域的y坐标较大、较小的交点坐标；θ1为dubins航迹起始圆的圆心角；

44、(b)dgap＜2rmin＜dp1p2

45、无人机转移路径的曲线航迹离散为由p1,p2,p3,p4点共同组成的折线航迹，确定四个点的坐标位置，即可导引无人机使其以理想航迹飞行；p1,p2,p3,p4航迹点位置计算如下：

46、

47、(c)

48、无人机转移路径的曲线航迹离散为由p1,p2,p3,p4点共同组成的折线航迹，确定四个点的位置，即可导引无人机使其以理想航迹飞行；p1,p2,p3,p4航迹点位置计算如下：

49、

50、本发明进一步的技术方案：所述根据编队覆盖航迹计算各无人机的覆盖航迹，具体为：

51、设编队的覆盖航迹为pathf＝{pfi|i＝1,2,...,n}，n为航迹点数量，每架无人机相对编队中心的位置为pri(xri,yri)，则各无人机的覆盖航迹为pathj＝{pfi+prj|i＝1,2,...,n,j＝1,2,...,m}，m为编队中无人机数量。

52、一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。

53、一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。

54、本发明的有益效果在于：

55、本发明提供的一种多固定翼无人机协同区域覆盖航迹规划方法，通过动态规划法求解作业路径转移次序并使用离散dubins航迹点生成航迹，按照本发明提出的方法进行协同覆盖航迹规划的设计，通过较小的计算量和较短的计算时间便能得到较优的求解结果，并且求解结果稳定，简单实用，利于在工程上实现。