一種基於流體力學的無人機三維航路生成方法
2023-10-17 18:33:14 2
專利名稱：一種基於流體力學的無人機三維航路生成方法
技術領域：
本發明屬於航路規劃領域，具體地說是指一種基於流體力學的無人機三維航路生成方法。
背景技術：
航路規劃是影響無人機使用和飛行安全的關鍵技術，一直受到各方面的高度重視，經過幾十年的研究和發展，取得了大量研究成果，為目前無人機的大發展奠定了基礎。隨著無人機的使用空域從中、高空不斷向低空、甚至超低空的拓展，複雜地形下的無人機航路規劃能力日益成為制約無人機發展的瓶頸。隨著飛行高度的不斷降低，地形的影響將成為航路規劃需要考慮的重要因素，對於複雜地形情況還將成為關鍵因素。目前見諸文獻的航路規劃方法有基於圖形的規劃方法、決策型搜索方法、隨機搜 索方法和人工勢場法等。這些航路規劃方法通常處理的障礙數目較少且相對簡單，但卻需要複雜的網格或數據結構進行建模。三維航路規劃方法相較於二維更複雜，許多方法在複雜地形條件下存在組合爆炸的問題，並不適合複雜地形下的無人機三維航路規劃。另一方面無人機自身具有一定的飛行性能約束，現有方法規劃出的航路對於無人機的實際飛行存在困難。究其原因是航路不夠光滑，沒有考慮無人機約束。複雜地形條件約束下的無人機航路規劃不但要考慮複雜地形對路徑的約束，還要考慮地形對飛行安全的潛在影響，以及無人機自身的性能約束，並在垂直面內的地形跟蹤和水平面的地形規避之間實現綜合，最終規劃出三維空間的可供無人機實際飛行的平滑航路。人工勢場法中的電荷法與流函數法分別利用了電磁理論和流體計算中的概念，並將其引入到航路規劃中。雖然這兩種方法能夠快速的規劃出相對平滑的航路，但是只能作為二維航路規劃方法。如何能夠在三維情況下，用一種簡單的地形建模方法規劃出相對平滑，又適合無人機飛行的三維航路是設計無人機航路規劃系統時需要面對的一個問題。
發明內容
針對現有技術中存在的問題，本發明提出一種基於流體力學的無人機三維航路生成方法，通過該方法能夠在地形較為複雜的情況下，快速的生成一條滿足無人機約束的光滑三維避障飛行航路。應用本發明提供的航路規劃方法，首先計算出理想情況下沿X軸來流方向，位於原點的圓球障礙繞流流線，利用旋轉平移矩陣得到XY平面中任意來流方向與任意障礙位置的繞流流線，根據障礙物間距離的不同採用兩種方式將所有的流線合併成一條流線，之後根據無人機約束對三維流線進行處理得到無人機三維航路。具體包括如下步驟步驟一單個障礙時，根據定常忽略粘性的不可壓縮理想流體，沿空間直角坐標系X軸來流方向作用於位於原點的圓球障礙繞流問題的解析解，在該直角坐標系下求得流速沿X、Y和Z軸的分量；定常忽略粘性的不可壓縮理想流體沿X軸來流方向作用於位於原點的圓球障礙繞流問題，由於流體的運動存在對稱性，描述為平面二維極坐標系下的擾流問題，對於空間中任意一點P，極坐標系建立在點P與X軸所構成的平面上,空間直角坐標系的坐標原點與平面二維極坐標系的極點重合，為點O，空間直角坐標系的X軸與平面二維極坐標系的極軸V軸重合，在該極坐標系下流體的速度勢辦為
權利要求
1.一種基於流體力學的無人機三維航路生成方法，其特徵在於具體包括以下幾個步驟 步驟一單個障礙時，根據定常忽略粘性的不可壓縮理想流體，沿空間直角坐標系X軸來流方向作用於位於原點的圓球障礙繞流問題的解析解，在該直角坐標系下求得流速沿X、Y和Z軸的分量； 定常忽略粘性的不可壓縮理想流體沿X軸來流方向作用於位於原點的圓球障礙繞流問題，由於流體的運動存在對稱性，描述為平面二維極坐標系下的擾流問題，對於空間中任意一點P，極坐標系建立在點P與X軸所構成的平面上,空間直角坐標系的坐標原點與平面二維極坐標系的極點重合，為點O，空間直角坐標系的X軸與平面二維極坐標系的極軸V軸重合，在該極坐標系下流體的速度勢爐為
2.根據權利要求I所述的一種基於流體力學的無人機三維航路生成方法，其特徵在於所述的步驟二中解微分方程組方法包括四階或五階的定步長或變步長Runge-Kutta方法。
全文摘要
本發明公開了一種基於流體力學的無人機三維航路生成方法，屬於航路規劃領域，本發明首先計算得到沿X軸來流方向，位於原點的圓球障礙繞流流線，利用旋轉平移矩陣得到平面中任意來流方向與任意障礙位置的繞流流線，根據流線是否滿足部分重合條件採用兩種方式將所有的流線合併成一條流線，之後根據無人機約束對三維流線進行處理得到無人機三維航路。本發明借鑑了自然界流水能夠避開巖石的現象，將流體計算與航路規劃相結合，同時考慮無人機飛於約束，在地形較為複雜時，能夠規劃出光滑且易於飛行的三維飛行避障航路。本發明地形建模簡單，計算量小，滿足無人機約束，實現方便。
文檔編號G01C21/20GK102749080SQ201210207710
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月18日 優先權日2012年6月18日
發明者李大偉, 梁宵, 王宏倫 申請人:北京航空航天大學