一種引入飛行員意圖的航跡規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種航跡規(guī)劃方法，尤其涉及一種引入飛行員意圖的航跡規(guī)劃方法， 屬于空管技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 與商業(yè)航空的飛行路線是事先定義的、固定的相比，通用航空往往是在低空條件 下自由飛行的（freeflight)，其飛行員可以自主選擇航線、高度和速度。在這種情況下，研 宄如何減輕氣象、環(huán)境、地形、地貌等外界條件的復(fù)雜性對(duì)通用航空安全問題的影響，一直 是空管研宄中關(guān)心的問題，為此需要利用自主導(dǎo)航方法，例如：自主路徑規(guī)劃、沖突檢測、風(fēng) 險(xiǎn)評(píng)估和決策，為飛行器提供幫助。自主路徑規(guī)劃利用飛行器傳感器獲取的信息，檢測可能 遇到的障礙物或碰撞，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，為飛行器提供可飛的航跡，因此對(duì)于飛行器的安全飛 行有重要的意義。
[0003] 在飛行器避險(xiǎn)、避撞的自主路徑規(guī)劃研宄中，相關(guān)研宄學(xué)者、工程師提出了很多的 算法。在這些算法中，對(duì)于多飛行器，一種魯棒的策略是不同飛行器之間通過交換信息和 飛行意圖等合作的方式規(guī)劃各自的路徑。這種合作的方法進(jìn)一步分為分散合作和集中合 作兩種方式。中央控制方式中，中央控制器知道每個(gè)飛行器的位置，并負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)每個(gè)飛行 器的航跡，其通常解決一個(gè)大的最優(yōu)化問題。相關(guān)方法包括：semidefiniteprogramming， nonlinearprogramming,mixedintegerlinearprogramming,mixedintegernonlinear programming，variationalanalysis。然而，規(guī)劃的航跡數(shù)量n(n-l)/2與飛行器的數(shù)目n 呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系，因此這些方法的計(jì)算量將成指數(shù)增長。中央集成系統(tǒng)需要對(duì)問題進(jìn)行 綜合求解，往往能夠得到最優(yōu)解，但當(dāng)系統(tǒng)很大的時(shí)候（飛行器很多），收集信息的難度將 大大提尚。
[0004] -般來講，分散的方法性能的魯棒性要好。有人提出一種合作的、分散式方法， 該方法基于modelpredictivecontrol(MPC)，最優(yōu)控制問題包括飛行器的動(dòng)力學(xué)，通過 mixed-integerlinearprogramming(MILP，混合整數(shù)線性規(guī)劃）。每個(gè)agent分配一個(gè)時(shí) 隙用于計(jì)算動(dòng)力學(xué)的可行性，從而保證一條無沖突的路徑。把全局最優(yōu)化問題分解成幾個(gè) 局部問題，這些局部問題被agent以迭代的、分散處理的方式予以解決。每次迭代中agent 之間進(jìn)行信息交換，充分利用解的過程。其他的分散控制方法，包括基于規(guī)則的方法、基于 勢(shì)場的方法。勢(shì)場的方法包含了飛行器的動(dòng)力學(xué)，并且計(jì)算速度很快，但有時(shí)候無法在保證 飛行器安全的情況下完成避障或避撞。
[0005] 通過滾動(dòng)時(shí)域方法（recedinghorizonapproach)，計(jì)算時(shí)間能被減少。然而， 除非每次迭代中能把問題完全解決，安全問題才能保證。例如：當(dāng)規(guī)劃平面（planning horizon)太短時(shí)，飛行器的最大轉(zhuǎn)率相對(duì)變小，就會(huì)導(dǎo)致：在規(guī)劃之前飛行器之間會(huì)相距 很近。結(jié)果是：飛行器不能及時(shí)轉(zhuǎn)向，這時(shí)的最優(yōu)化問題將沒有可行解。另外，規(guī)模問題在 無人機(jī)（unmannedaerialvehicle，UAV)領(lǐng)域也會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)需要對(duì)大隊(duì)的UAV進(jìn)行路徑 規(guī)劃的時(shí)候，中央處理器的求解將隨著UAV數(shù)量的增加而變得難以求解。并且，在實(shí)際應(yīng)用 中，當(dāng)任務(wù)展開的時(shí)候，將會(huì)出現(xiàn)新情況，以至于規(guī)劃問題需要多次求解。所以，分布式水平 退讓（decentralizedrecedinghorizon,ormodelpredictivecontrol)規(guī)劃策略看起 來更適合解決多飛行器航跡生成問題。也有文獻(xiàn)提出這樣一種方法，其中靜態(tài)障礙物和動(dòng) 態(tài)飛行器用勢(shì)函數(shù)（potentialfunction)進(jìn)行說明。盡管計(jì)算效率比較高，但potential function不能保證安全性：障礙物和移動(dòng)的飛行器在代價(jià)函數(shù)中用softconstraints表 示。還有文獻(xiàn)提出一種基于iterativebargainingscheme的算法，但由于迭代可能收斂 于不可行的平衡點(diǎn)，所以仍存在softsafetyguarantees。
[0006] 滾動(dòng)時(shí)域RecedingHorizonPlanning(RHP)處理的是：在保證安全的前提下，對(duì) 多個(gè)飛行器，計(jì)算其在2D空間的最優(yōu)航跡。每個(gè)飛行器計(jì)算各自的飛向位點(diǎn)的航跡，并考 慮其他飛行器的飛行意圖。由于其他飛行器的意圖是在線收集的，并且隨著各自的航跡而 變化，所以每個(gè)飛行器采用RHP策略：在每一步，通過求解一個(gè)有限平面長度T內(nèi)的最優(yōu)化 問題來計(jì)算所有通向目的地的路徑，然后對(duì)這些路徑進(jìn)行分割。目前滾動(dòng)時(shí)域方法已經(jīng)得 到了廣泛的應(yīng)用，在無人機(jī)、有人機(jī)的避險(xiǎn)避撞中能夠在保證飛行器安全的前提下為飛行 器提供航跡。
[0007] 綜上，目前的方法通常只考慮外界環(huán)境的因素，而完全依靠自主航跡規(guī)劃算法中 考慮的各種約束條件，有時(shí)候帶來的計(jì)算量很大。例如：為了躲避障礙物，需要計(jì)算障礙物 的邊界條件，而復(fù)雜的障礙物形狀必然導(dǎo)致計(jì)算量的增加。另外，復(fù)雜氣象條件的建模，需 要利用概率、模糊等現(xiàn)代信號(hào)處理方法，導(dǎo)致需求的數(shù)據(jù)量也很大。在這種條件下，如果能 夠合理考慮飛行員的意圖，不但有利于減少計(jì)算量，更有利于增加飛行器的安全指數(shù)，本發(fā) 明正是基于這種考慮而研發(fā)的航跡規(guī)劃方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種引入飛行員意圖的航跡規(guī)劃 方法。
[0009] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：
[0010] 一種引入飛行員意圖的航跡規(guī)劃方法，包括以下步驟：
[0011] (1)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的初始化設(shè)置：按環(huán)境類型對(duì)相應(yīng)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行初始化 設(shè)置，即在飛行器飛往指定位置之前，得到飛行器的起點(diǎn)到終點(diǎn)之間靜態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的初步 表征；
[0012] (2)數(shù)據(jù)采集：飛行器在飛行過程中，實(shí)時(shí)采集可能影響飛行安全的環(huán)境數(shù)據(jù)；
[0013] (3)地圖表征：對(duì)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)用凸多面體進(jìn)行表征，不斷修正、完善地圖；
[0014] (4)約束條件數(shù)據(jù)檢測：根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束數(shù)據(jù)，檢測混合整數(shù)線性規(guī)劃所需 要的變量個(gè)數(shù)，環(huán)境數(shù)據(jù)獲得的越多，滾動(dòng)時(shí)域的長度就增大，反之減少，計(jì)算量隨著滾動(dòng) 時(shí)域長度的增加而增加；
[0015] (5)若變量個(gè)數(shù)小于或等于500,則采用基于約束條件的自主航跡規(guī)劃算法；若變 量個(gè)數(shù)大于500,則采用基于約束條件和飛行員意圖的航跡規(guī)劃算法。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種引入飛行員意圖的航跡規(guī)劃方法，其特征在于：包括w下步驟： (1) 環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的初始化設(shè)置；按環(huán)境類型對(duì)相應(yīng)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè) 置，即在飛行器飛往指定位置之前，得到飛行器的起點(diǎn)到終點(diǎn)之間靜態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的初步表 征； (2) 數(shù)據(jù)采集；飛行器在飛行過程中，實(shí)時(shí)采集可能影響飛行安全的環(huán)境數(shù)據(jù)； (3) 地圖表征；對(duì)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)用凸多面體進(jìn)行表征，不斷修正、完善地圖； (4) 約束條件數(shù)據(jù)檢測；根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束數(shù)據(jù)，檢測混合整數(shù)線性規(guī)劃所需要的 變量個(gè)數(shù)，環(huán)境數(shù)據(jù)獲得的越多，滾動(dòng)時(shí)域的長度就增大，反之減少，計(jì)算量隨著滾動(dòng)時(shí)域 長度的增加而增加； (5) 若變量個(gè)數(shù)小于或等于500,則采用基于約束條件的自主航跡規(guī)劃算法；若變量個(gè) 數(shù)大于500,則采用基于約束條件和飛行員意圖的航跡規(guī)劃算法。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的引入飛行員意圖的航跡規(guī)劃方法，其特征在于：所述步驟（4) 中，所述目標(biāo)函數(shù)的公式為； X,li
其中，Xf是終點(diǎn)位置坐標(biāo)，N是滾動(dòng)時(shí)域長度，目標(biāo)函數(shù)中的第一項(xiàng)的物理意義是要求 生成的路徑最短，第二項(xiàng)的物理意義是要求耗能最少；a和b是常數(shù)，其用于通過調(diào)整目標(biāo) 函數(shù)的等號(hào)左右兩項(xiàng)的權(quán)重，在生成路徑長度和耗能方面有所側(cè)重；X表示飛行器的空間 位置坐標(biāo)矢量，U表示系統(tǒng)的輸入；滾動(dòng)時(shí)域N長度越大，計(jì)算量越大；算法的求解采用基于 滾動(dòng)時(shí)域的混合整數(shù)線性規(guī)劃。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的引入飛行員意圖的航跡規(guī)劃方法，其特征在于；所述步驟巧） 中，所述基于約束條件的自主航跡規(guī)劃算法中，所述約束條件包括但不限于飛行器系統(tǒng)的 動(dòng)力學(xué)約束、速度和加速度約束、躲避障礙物約束、躲避碰撞約束。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的引入飛行員意圖的航跡規(guī)劃方法，其特征在于：所述飛行器 系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)約束的條件為：
所述飛行器系統(tǒng)的水平方向速度的條件為： Vh"dn《MVh(t)M《Vhmax0) 所述飛行器系統(tǒng)的豎直方向速度的條件為： VvVV(t)《Vvmax(4) 所述飛行器系統(tǒng)的水平方向加速度的條件為： I I3h(t)I I《3hmax妨 所述飛行器系統(tǒng)的豎直方向加速度的條件為： 3vmin《aV(t)《Svmax做 上述公式似-(6)中，X(t) = [X(t),y(t),Z(t)]T，表示在時(shí)刻t，飛行器的空 間位置坐標(biāo)矢量； 表示在時(shí)刻t，飛行器的空間速 度矢量；u(t)表示系統(tǒng)的輸入；
g示在時(shí)刻t，飛行器 在水平方向的速度矢量；V，. 二i(y)，表示在時(shí)刻t，飛行器在豎直方向的速 度；
表示在時(shí)刻t，飛行器在水平方向的加速度矢量； (方)二Z(方)，表示在時(shí)刻t，飛行器在豎直方向的加速度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的引入飛行員意圖的航跡規(guī)劃方法，其特征在于；所述步驟巧） 中，所述基于約束條件和飛行員意圖的航跡規(guī)劃算法中，飛行員根據(jù)觀測到的周圍環(huán)境情 況，通過把轉(zhuǎn)彎或升降作為所述目標(biāo)函數(shù)的約束條件，從而規(guī)劃出體現(xiàn)飛行員意識(shí)的航跡。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的引入飛行員意圖的航跡規(guī)劃方法，其特征在于：所述轉(zhuǎn)彎為 水平方向的右轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)前時(shí)刻tl的水平坐標(biāo)為p(ti) = [x(ti)，y(ti)]T，下一時(shí)刻t2的右 轉(zhuǎn)0度的水平期望坐標(biāo)為歹(X)二[萬(/2)，y(0 了兩者關(guān)系如下：
(7) 期望坐標(biāo)與當(dāng)前坐標(biāo)的差為：
(8) 在混合整數(shù)線性規(guī)劃框架下，下一時(shí)刻t2的右轉(zhuǎn)0度的水平坐標(biāo)p(t2)= [X(t2)，y(t2)]T的約束條件表達(dá)為； If Ax> 0 X(t2) >x(ti) +Ax 巧） If AX< 0 X扣）<X(tl) +AX (10) If Ay> 0 y(t2) >y(ti)+Ay (11) If Ay< 0 y(t2) <y(ti) +Ay (。） 所述轉(zhuǎn)彎為水平方向的左轉(zhuǎn)時(shí)，與上述右轉(zhuǎn)同理。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的引入飛行員意圖的航跡規(guī)劃方法，其特征在于：所述升降為 上升時(shí)，當(dāng)前時(shí)刻tl的高度坐標(biāo)為Z(tl)，下一時(shí)刻t2的期望增加高度為AZ，則增加高度 的約束條件為： Z扣）>Z(tl) +AZ(13) 所述升降為下降時(shí)，當(dāng)前時(shí)刻tl的高度坐標(biāo)為z(tl)，下一時(shí)刻t2的期望增加高度為AZ，則降低高度的約束條件為：
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種引入飛行員意圖的航跡規(guī)劃方法，包括以下步驟：環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的初始化設(shè)置；數(shù)據(jù)采集；地圖表征；約束條件數(shù)據(jù)檢測：根據(jù)目標(biāo)函數(shù)和約束數(shù)據(jù)，檢測混合整數(shù)線性規(guī)劃所需要的變量個(gè)數(shù)；若變量個(gè)數(shù)小于或等于500，則采用基于約束條件的自主航跡規(guī)劃算法；若變量個(gè)數(shù)大于500，則采用基于約束條件和飛行員意圖的航跡規(guī)劃算法。本發(fā)明把飛行員的意圖轉(zhuǎn)化為最優(yōu)控制算法中的限制條件，使得自主航跡規(guī)劃算法體現(xiàn)了飛行員的思想，克服了傳統(tǒng)的航跡規(guī)劃方法中忽視飛行員意圖的問題；本發(fā)明采用滾動(dòng)時(shí)域與混合整數(shù)規(guī)劃相結(jié)合的最優(yōu)控制問題求解方法，從而不存在增加飛行員的意圖帶來的計(jì)算量增大太多的問題。
【IPC分類】G05D1-10
【公開號(hào)】CN104793626
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510098210
【發(fā)明人】王剛, 張洪斌, 張紅雨
【申請(qǐng)人】成都市優(yōu)艾維機(jī)器人科技有限公司
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2015年3月6日