CN117806348A - 一种复杂地形下无人机航线规划与飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂地形下无人机航线规划与飞行控制方法，在任一路径已确定的情况下通过对航线高度的设计，在飞行之前的航线规划阶段完成地形特征过滤平缓，给出一条既能体现地形走势特征又忽略局部不利地形细节的航线，最后通过航线跟踪完成安全飞行。

Description

一种复杂地形下无人机航线规划与飞行控制方法

技术领域

本发明属于无人机航线规划领域，具体而言，涉及一种复杂地形下无人机航线规划与飞行控制方法。

背景技术

无人机航线规划是指为无人机指定一条合理的飞行航线，使其能够高效地完成特定的任务。这包括考虑到无人机的起飞点、目标点、避障、能源消耗等因素，以确保飞行的安全性和效率，无人机航线规划是一个复杂而多变的任务，需要综合考虑多种因素，以确保飞行的成功和安全。使用先进的飞行控制系统和航线规划算法可以帮助优化无人机的航线规划。

山区(尤其是高原山区地带)地形起伏剧烈，短距离上高差变化尺度从数米到上百米不等，无人机在以上复杂地形进行掠地超低空任务飞行时，由于前飞速度大且高度跟踪响应有滞后，不一定有足够的时间和空间用以及时调整飞行姿态和高度，给航线规划和飞行控制带来了巨大的安全挑战。

无人机执行超低空飞行任务时，在纵向高度控制通道一般采用基于高度误差的闭环反馈控制方法，控制器公式如下：

Θ＝f(Hset-H)；

式中，Θ为纵向高度通道输出指令，Hset为高度设定值，H为当前高度反馈测量值，这里的高度为绝对高度或相对高度均可。

基于以上公式，当前超低空飞行的技术方案大多采用针对反馈测量值H滤波的实时反馈控制方案：在路径上，通过数字地图路径规划或实地勘察，选择地表平坦或地势变化较为缓慢的区域进行飞行，诸如海上、平原地带、戈壁滩或山间河道，主动规避地形剧烈变化导致无人机急剧俯仰沉浮从而影响纵向控制稳定性和飞行安全性的问题；在高度上，通过预先人工设定的一个或有限个期望的相对高度值作为Hset，使用无线电高度表等测距设备实时获取相对地面高度原始测量值H滤波前，然后通过低通滤波方法对测量值进行平滑降噪，最后将滤波后的测量值H反馈至高度闭环控制器，实现地形跟随飞行。

现有的针对反馈测量值H滤波的实时反馈控制方案存在下述问题：

1、存在安全隐患。对地形采集数据进行滤波的同时，根据低通滤波器的特点将会滤除掉数据的局部峰值引起幅值衰减，这种方法虽然降低了高度起伏对纵向控制稳定性的影响，但忽略了山地常见的诸如峰尖、峭石等尖锐突出点的地形细节，依然无法解决在地形起伏剧烈时的飞行安全性问题；

2、地形局限性较大。滤波器的平滑效果有限，对米级以下尺度地形起伏的平滑效果较好，难以平滑更大尺度的起伏。滤波器依然保留了地形起伏的大尺度趋势特征，当地形起伏变化速率超过高度控制器动态响应能力范围后，易引起纵向控制振荡或由于控制滞后而未及时拉起高度导致撞山，因此仍然只能适应于地形变化相对平缓的海上、平原地带、戈壁滩或山间河道；

3、路径代价增大。采用最优路径规划方法或人工方法在地图上搜索平缓连续路径，意味着选择区域受限且非最短路径，将会导致飞行耗时变长、油耗增加等问题，同时不适用于指定路径的飞行任务。

发明内容

针对以上缺陷，本发明提供了一种复杂地形下无人机航线规划与飞行控制方法，包括无人机的航线规划，所述航线规划的具体步骤如下：

S1、确定飞行路径；

S2、获取地形高度数据；

S3、规划航线，其中包括：

S3-1、求出合适的包络线；

S3-2、找到路径关键点；

S3-3、修正飞行路径的高度；

S3-4、计算出航线高度；

S3-5、生成完整航线序列；

S3-6、将步骤S3-5生成的完整航线上传至仿真系统中，进行仿真验证；

还包括根据航线规划下的无人机的飞行控制方法，所述飞行控制方法的具体步骤如下：

P1、使用机载组合导航系统输出的海拔高度参与绝对高度闭环控制；

P2、在飞行控制逻辑中将无线测距设备测得的相对地面高度设置用于高度过低特情的预警判断输入，当测得的相对高度值低于设定的某一阈值后，无人机立即采取增大俯仰角指令进行爬升的措施快速拉起高度；

P3、通过航线规划步骤中的S3-5得到的航线序列，将高度控制器的输入设置为时变的斜坡信号，计算出实时的高度设定值，代入高度控制器中进行高度跟踪，实现高度斜坡飞行。

进一步地，所述步骤S1中的飞行路径通过外部任务输入，获取复杂地形下飞行路径上关键点位的经纬度坐标，两两按序依次连线来构成。

进一步地，所述步骤S2中的地形高度数据通过步骤S1中确定的飞行路径的各点坐标来获取。

进一步地，所述步骤S2中的地形高度数据通过开源的地理信息数据库获得包含飞行路径上所有点在内的分辨率不低于3"的数字高程图块，再通过线性插值法求出路径上的地形高度来获取，或者通过放飞一架无人机沿飞行路径在安全高度上定高飞行，且利用携带的无线测距设备测量下方相对地面高度，最后由飞行高度减去相对高度得到飞行路径下方的地形高度来获取。

进一步地，所述步骤S3-1中的包络线根据步骤S2中获得的地形高度数据绘制地形高度曲线，再根据地形高度曲线通过MATLAB的envelope函数求出。

进一步地，所述步骤S3-2中的路径关键点通过找出包络线高度值低于原始地形高度的异常点序列集，再筛选出期望路径关键点序列集得出。

进一步地，所述步骤S3-3中修正飞行路径的高度包括利用MATLAB中的interp1函数将步骤S3-2中获得的关键点序列集，以线性插值形式密集离散路径关键点序列集中相邻两点之间的连线，以及对路径关键点序列集中的地形高度值进行修正。

进一步地，所述步骤S3-4中的航线高度根据步骤S3-3中修正后的路径关键点序列集生成的飞行路径点序列集来计算得出。

进一步地，所述步骤S3-5中完整航线序列通过在步骤S3-4中生成的飞行路径点序列集基础上添加起飞段、回收段以及过渡段的航点信息来生成。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、可以任意选择飞行路径，即无需在地图上预先寻找最优路径，可选择最短路径或任意指定的路径，在获取到路径上地形高度数据后按本发明方法进行航线规划，即可用于飞行；

2、兼顾超低空飞行的同时保证飞行的安全，使用求取包络线的方法对地形特征进行了取舍，可根据飞行任务需求，调节包络线参数np以对地形特征权衡平滑，忽略不利的局部细节特征，保留大致的地形走势特征，如此，既能保证超低空仿地飞行的要求，又能避免剧烈起伏的地形跟随对飞行稳定与安全的威胁。

3、降低对无线测距设备的依赖性。通过预先规划的航线确定无人机飞行所需的位置期望信息，如经度、纬度、海拔高，其中海拔高为绝对高度，与无人机的高精度组合导航系统输出的实测海拔高形成高度通道闭环控制，无需关心飞行时与山体或地面之间的相对高度，机载无线测距设备测得的相对高度数据仅供高度过低预警使用。

附图说明

图1为本发明步骤S3中规划航线的示意图。

图2为本发明步骤P3中高度跟踪的两种形式的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明装置进行更全面的描述。附图中给出了所述装置的实施例。但是，该装置可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是对本发明公开内容更加透彻全面。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

如图1-2所示，本实施例提供了一种复杂地形下无人机航线规划与飞行控制方法，包括无人机的航线规划，所述航线规划的具体步骤如下：

S1、根据外部任务输入，获取复杂地形下飞行路径上关键点位的经纬度坐标，两两按序依次连线构成一条路径，将路径序列定义为R(下文用路径R表示)，R＝{P_i|(经度,纬度),i＝1,2,3…,n}，式中n为已知关键点位个数，其内某点记为P_Ri。

S2、根据步骤S1中路径R各点坐标，获取路径下方的地形高度数据，获取方法有两种：

其一，根据开源的地理信息数据库获得包含路径R上所有点在内的分辨率不低于3"的数字高程图块，然后通过线性插值法求出路径上的地形高度；

其二，放飞一架无人机沿路径R在安全高度上定高飞行，同时利用携带的无线测距设备测量下方相对地面高度，最后由飞行高度减去相对高度得到飞行路径下方的地形高度。

需要说明的是，上述获得的地形高度均为海拔高度，按序存入地形序列中，地形序列定义为G＝{P_i|(经度,纬度,距离,地形高度),i＝1,2,3…,n}，n为地形采样点数，距离为以P1为起点在路径R上的累计飞行距离，其内某点记为P_Gi。

S3、规划航线，其中包括：

S3-1、以地形序列G中的距离为横坐标、地形高度为纵坐标绘制地形高度曲线，利用MATLAB的envelope函数快捷地求出地形高度曲线的上包络线，记为S＝{P_i|(经度,纬度,距离,包络线高度),i＝1,2,3…,n}；

上述式中n为包络线采样点数，其内某点记为P_Si。函数使用方法为[yupper,ylower]＝envelope(x,np,'peak')，式中，yupper和ylower分别为输出的上下包络线(本发明只需关心上包络线yupper，下文中包络线均指上包络线)，x输入为地形G中的原始地形高度序列，np为可调节的离散采样间隔，'peak'指定为求包络线模式；

S3-2、首先找出包络线高度值低于原始地形高度的异常点序列集U1(下文用U1表示)。

包络线为了平滑连续，其上某离散点P_Si的高度可能低于原始地形P_Gi的高度，为确保飞行航线的绝对安全，使用公式：

高差ΔH＝P_Si(包络线高度)-P_Gi(地形高度)；

判定包络线上每个离散点P_Si是否低于山体表面，若高差ΔH≤0则意味此点低于山体表面并记录在异常点序列集U1中，U1＝{P_i|(经度,纬度,距离,包络线异常点高度),i＝1,2,3…,n}，n为异常点数，其内某点记为P_U1i；

随后在异常点序列集U1中筛选出期望路径的关键点序列集U2(下文用U2表示)。

航线路径上的每个拐点都应为路径关键点，异常点序列集U1的首尾两异常点默认为路径关键点，对其余的每个异常点计算其与前后邻点之间的距离，若存在距离大于阈值ΔL情况，则定义其为期望路径的关键点，记录于序列集U2中，U2＝{P_i|(经度,纬度,距离,路径关键点高度),i＝1,2,3…,n}，n为路径关键点数，其内某点记为P_U2i。需要说明的是，阈值ΔL在不同飞行器或不同飞行速度下，此值可不同。

至此，所设计航线的航点经纬度即为U2中的n个离散点P_U2i对应的经纬度，航点高度值由后续步骤确定。

S3-3、修正飞行路径的高度包括：

S3-3-1、以线性插值形式密集离散路径关键点序列集U2中相邻两点之间的连线：

可以利用MATLAB中的interp1函数，使用方法为vq＝interp1(x,v,xq,'linear')，式中，vq为插值后的密集离散高度序列，x和v分别为U2中距离和地形高度序列，xq是预期密集离散的距离序列；

S3-3-2、修正路径关键点序列集U2中的地形高度值：

U2中相邻两点之间的连线可能穿过山体，为使得所有连线段均高于山体表面，保证飞行安全，应对高度值进行修正。以相邻两路径关键点P_U2i和P_U2i+1为一区段，i＝1,2,…，逐段对密集离散的连线进行比对，判断其是否存在低于山体表面地形高度的点，若存在则将对应区段的两个路径关键点P_U2i和P_U2i+1的高度修正为区段内最高点max{H_Xi,H_Xi+1,H_max}，H_Xi为U2中P_U2i点的高度值，H_Xi+1为U2中P_U2i+1点的高度值，H_max为P_U2i和_U2i+1区段内山体最高点的真实地形高度值。修正后的区段表征为一个等高平飞段，区段内各位置的高度均不低于山体表面地形高度。

S3-4、通过上述步骤修正后的U2，其表征的高度曲线可视为一条包络山体大致走势的仿地形折线段，将其定义为山体表面参考层，即相对地面高度为0。如此，便可根据任务输入的任意相对地面飞行高度要求，叠加在山体表面参考高度层上，获得所设计航线的海拔高度设定，生成的飞行路径点序列集U3＝{P_i|(经度,纬度,山体表面参考高度层+要求的相对高度),i＝1,2,3…,n}，n为飞行路径点数，其内某点记为P_U3i。

S3-5、在U3基础上添加起飞段、回收段以及过渡段的航点信息，最终获得完整的航线序列W＝{P_i|(经度,纬度,海拔高),i＝1,2,3…,n}，n为航点个数。此航线序列可上传至无人机，用于航线跟踪飞行。

另外，航线飞行高度的绝对安全可由飞行仿真以及人工校验来确保无失。

S3-6、将上述步骤规划完毕的完整航线上传至仿真系统中，进行仿真验证，检查仿真结果中的相对高度数据，确保高度安全，若出现高度过低情况，手动调整所在航线段的高度设定值，并再次仿真验证，确保最终航线的高度安全。

还包括根据航线规划下的无人机的飞行控制方法，所述飞行控制方法的具体步骤如下：

P1、飞行控制策略上，无人机使用机载组合导航系统输出的海拔高度参与绝对高度闭环控制，不再使用无线测距设备测得的相对地面高度参与相对高度闭环控制；

P2、在飞行控制逻辑中将无线测距设备测得的相对地面高度设置用于高度过低特情的预警判断输入，当测得的相对高度值低于设定的某一阈值后，无人机立即采取增大俯仰角指令进行爬升的措施快速拉起高度，需要说明的是，无人机通过飞行控制程序逻辑判定高度过低，然后生成一个更大的俯仰角指令，再代入俯仰角控制器进行闭环控制，实现自动拉起高度；

P3、由于前述步骤设计的航线序列的高度为若干离散点，相邻两点相连构成多段折线，即在某一段航线上高度设定值既可能为一定值又可能为定斜率变量，因此高度控制器的输入应为时变的斜坡信号。但在航线飞行中当前航段装订的高度设定值一般为目标航点的设定值，无人机将在短时间内收敛到此设定高度，无法达成高度斜坡飞行，形如附图2的常规高度跟踪曲线，因此本发明采取如下方法：

根据当前航段前后两个航点的距离和高差，获得此段航线区间内高度设定值变化率k_H，如下式：

k_H＝(H_目标航点-H_上一航点)/ΔL；

上述式中，H_目标航点为目标航点的高度设定值，H_上一航点为上一航点的高度设定值，ΔL为两个航点之间的距离；

之后，在飞行中根据实时位置与目标航点的距离L，并由公式：

H_set＝H_上一航点+k_H*L；

计算得到实时的高度设定值，代入高度控制器中进行高度跟踪。如此即可实现高度斜坡飞行，形如附图2的高度斜坡跟踪曲线。

需要说明的是，本发明所述结构可以以多种不同的形式来实现，并不限于所述实施例，凡是本领域普通技术人员利用本发明说明书及附图内容所作的任何等效变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，例如其他物品的装卸，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种复杂地形下无人机航线规划与飞行控制方法，包括无人机的航线规划，所述航线规划的具体步骤如下：

S1、确定飞行路径；

S2、获取地形高度数据；

S3、规划航线，其中包括：

S3-1、求出合适的包络线；

S3-2、找到路径关键点；

S3-3、修正飞行路径的高度；

S3-4、计算出航线高度；

S3-5、生成完整航线序列；

S3-6、将步骤S3-5生成的完整航线上传至仿真系统中，进行仿真验证；

还包括根据航线规划下的无人机的飞行控制方法，所述飞行控制方法的具体步骤如下：

P1、使用机载组合导航系统输出的海拔高度参与绝对高度闭环控制；

P2、在飞行控制逻辑中将无线测距设备测得的相对地面高度设置用于高度过低特情的预警判断输入，当测得的相对高度值低于设定的某一阈值后，无人机立即采取增大俯仰角指令进行爬升的措施快速拉起高度；

P3、通过航线规划步骤中的S3-5得到的航线序列，将高度控制器的输入设置为时变的斜坡信号，计算出实时的高度设定值，代入高度控制器中进行高度跟踪，实现高度斜坡飞行。

2.如权利要求1所述的一种复杂地形下无人机航线规划与飞行控制方法，其特征在于：所述步骤S1中的飞行路径通过外部任务输入，获取复杂地形下飞行路径上关键点位的经纬度坐标，两两按序依次连线来构成。

3.如权利要求1所述的一种复杂地形下无人机航线规划与飞行控制方法，其特征在于：所述步骤S2中的地形高度数据通过步骤S1中确定的飞行路径的各点坐标来获取。

4.如权利要求3所述的一种复杂地形下无人机航线规划与飞行控制方法，其特征在于：所述步骤S2中的地形高度数据通过开源的地理信息数据库获得包含飞行路径上所有点在内的分辨率不低于3"的数字高程图块，再通过线性插值法求出路径上的地形高度来获取，或者通过放飞一架次无人机沿飞行路径在安全高度上定高飞行，且利用携带的无线测距设备测量下方相对地面高度，最后由飞行高度减去相对高度得到飞行路径下方的地形高度来获取。

5.如权利要求4所述的一种复杂地形下无人机航线规划与飞行控制方法，其特征在于：所述步骤S3-1中的包络线根据步骤S2中获得的地形高度数据绘制地形高度曲线，再根据地形高度曲线通过MATLAB的envelope函数求出。

6.如权利要求5所述的一种复杂地形下无人机航线规划与飞行控制方法，其特征在于：所述步骤S3-2中的路径关键点通过找出包络线高度值低于原始地形高度的异常点序列集，再筛选出期望路径关键点序列集得出。

7.如权利要求6所述的一种复杂地形下无人机航线规划与飞行控制方法，其特征在于：所述步骤S3-3中修正飞行路径的高度包括利用MATLAB中的interp1函数将步骤S3-2中获得的关键点序列集，以线性插值形式密集离散路径关键点序列集中相邻两点之间的连线，以及对路径关键点序列集中的地形高度值进行修正。

8.如权利要求7所述的一种复杂地形下无人机航线规划与飞行控制方法，其特征在于：所述步骤S3-4中的航线高度根据步骤S3-3中修正后的路径关键点序列集生成的飞行路径点序列集来计算得出。

9.如权利要求8所述的一种复杂地形下无人机航线规划与飞行控制方法，其特征在于：所述步骤S3-5中完整航线序列通过在步骤S3-4中生成的飞行路径点序列集基础上添加起飞段、回收段以及过渡段的航点信息来生成。