一种无人机8字形航迹生成方法与流程

1.本发明属于无人机总体设计技术领域，具体涉及一种无人机8字形航迹生成方法。


背景技术：

2.以高空长航时无人机为代表的低动态飞行器在携带载荷执行任务过程中常需要采用8字形航迹飞行，从而实现对地持久监视、技术侦察、通信中继等功能。目前无人机在航迹设计上通常采用预先装订一系列导航点的方式来实现按预期航迹飞行，导航点之间以直线连接，导航点上定义了直线与直线间过渡时的转弯半径、任务属性(如收放起落架、接通任务载荷开关)等信息。
3.要实现8字形航迹，传统的生成方式主要有两种，一是定义一系列导航点近似形成8字形状，无人机在导航点之间进行直线飞行并依次飞过这些导航点最终形成由多条短直线段组成的8字形航迹；二是定义某导航点为盘旋点，通过算法逻辑控制使无人机经过该导航点时以顺时针盘旋一圈和逆时针盘旋一圈交替的形式循环飞行，形成由两个外切圆形组成的8字，如下所示。上述第一种方式所需的导航点数量较多，使用不便，可操作性差；第二种方式简捷实用，形象直观，但由于采用由两个圆形组成的周期运动航迹，不能有效调整该8字形的航向、半径与尺寸，如遇到需使无人机保持某一方向上的逆风飞行或需要背对着太阳飞行，或需不断调整无人机航迹尺寸和圆弧半径等需求时，传统的8 字形航迹不够灵活，不能方便实现变航向变半径变尺寸需求。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种无人机8字形航迹生成装置和方法。本发明方案能够解决上述现有技术中存在的问题。
5.本发明的技术解决方案：
6.一种无人机8字形航迹生成方法，包括以下步骤：
7.根据任务情况确定8字形航迹中两条相交直线交点的坐标、直线的航向角和8字形两个对称圆弧段的半径，确定直线的长度和端点的坐标；
8.根据直线端点的坐标、直线交点的坐标和导航点的信息构成8字形航迹导航点数据包，无人机在飞行时根据数据包的数据进行航迹的规划和计算；
9.根据无人机的实际位置确定其是否处于定义的8字形航迹中，若在则进行下一步，若不在，则将8字形航迹中直线端点或交点的坐标作为航迹的终点，生成航迹后飞行，到达终点后，进行下一步；
10.根据无人机的实际位置和定义的8字形航迹的位置，确定无人机在8字形航迹中的表征位置；
11.根据无人机当前位置在定义的8字形航迹的表征位置，实时判断无人机是否飞过当前理论航迹的终点。
12.进一步的，所述的导航点数据包中的数据包括导航点信息和导航点之间的线段信
息，所述的导航点信息包括直线段四个端点的坐标和直线段与8字形航迹对称轴的夹角，所述的导航点之间的线段信息包括线段的长度和曲率。
13.进一步的，所述的确定无人机处于定义的8字形航迹中表征位置的方法为：
14.s4.1以8字形航迹中心点坐标为参考，计算无人机实际位置相对于该参考点在在北-东-地坐标系下的实际坐标；
15.s4.2根据无人机的实际坐标和其数据包中的曲率，确定无人机处于8字形航迹中的直线段还是曲线段，若处在直线段，则进行s4.3，若处在曲线段，则进行s4.4；
16.s4.3以无人机的当前位置为圆心，以r
l
为半径画圆，所画的圆与8字形航迹中的直线段的相对位置有三种，一种为没有交点，一种为有一个交点，一种为有两个交点；当相对位置为没有交点和有一个交点时，取距离无人机位置最近的8字形航迹中直线段的点为无人机在8字形航迹中表征位置；当相对位置为有两个交点时，取沿航向前方的直线段交点为无人机在8字形航迹中表征位置；
17.s4.4以无人机的当前位置为圆心，以r
l
为半径画圆，所画的圆与8字形航迹中的曲线段的相对位置有三种，一种为没有交点，一种为有一个交点，一种为有两个交点；当相对位置为没有交点和有一个交点时，取距离无人机位置最近的8字形航迹中的曲线点为无人机在8字形航迹中表征位置；当相对位置为有两个交点时，取沿航向前方的曲线上的交点为无人机在8字形航迹中表征位置。
18.进一步的，所述的r
l
为给定值，根据无人机本身特性确定，减少该值可使无人机在偏离理论航线后更快速地向理论航线纠正，增强控制响应能力，提高跟踪精度，但有可能带来控制系统的不稳定。反之，增大该值可保证控制系统的稳定性，但有可能使无人机的控制响应力不够，达不到预期的跟踪期望。
19.进一步的，无人机进行重复的同一个8字形航迹飞行，则将上一个8字形航迹的终点设置为起点，并重复记录在数据包中。
20.进一步的，无人机进行不同的8字形航迹飞行时，通过修订8字形航向、8 字形圆弧段半径、8字形尺寸来得到修订后的8字形航迹，然后按照所述一种无人机8字形航迹生成方法进行航迹生成。
21.本发明与现有技术相比的有益效果：
22.本发明通过8字形航向、8字形圆弧段半径、8字形尺寸三个变量来对8字形航迹进行参数化描述，能快速、灵活、方便地生成不同航向不同半径不同尺寸的8字形航迹，克服传统8字形航迹中不能有效变航向变半径变尺寸的缺点，满足无人机执行任务过程中对航迹变化多元化的需求。
附图说明
23.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1示出了根据本发明实施例提供的一种无人机8字形航迹生成方法步骤示意图；
25.图2为本发明实施例提供的一种无人机变航向变半径变尺寸8字形航迹生成方法
中8字形参数化示意图；
26.图3为本发明实施例提供的一种无人机变航向变半径变尺寸8字形航迹生成方法中变航向航迹示意图；
27.图4为本发明实施例提供的一种无人机变航向变半径变尺寸8字形航迹生成方法中变航向变半径航迹示意图；
28.图5为本发明实施例提供的一种无人机变航向变半径变尺寸8字形航迹生成方法中变航向变半径变尺寸航迹示意图。
具体实施方式
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
31.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
32.如图1所示，根据本发明实施例提供一种无人机8字形航迹生成方法，包括以下步骤：
33.步骤一，根据任务情况确定8字形航迹中两条相交直线交点的坐标、直线的航向角和8字形两个对称圆弧段的半径，确定直线的长度和端点的坐标；
34.给定变航向变半径变尺寸8字形航迹中两条相交直线交点(即8字形中心点)的经纬度高坐标(x0,y0,z0)，8字形两个对称圆弧段的半径r，8字形对称中心轴线(即两个圆弧段圆心连线所在直线)与地面北-东-地坐标系下正北方向的顺时针夹角(即为航向角)8字形对称中心轴线和两个圆弧段相交后两个交点之间的距离l(即为8字形航迹的尺寸)，在一个实施例中，为保证8字形航迹中包含直线段，在参数选取上一般可取l≥5r。如取消l≥5r这一限制且令 l＝4r，则可生成传统的由两个圆形外相切的8字形航迹。本发明涉及到的所有经纬度坐标均是在标准的wgs84坐标系下的坐标。
35.计算8字形航迹中两条长度相等的直线段长度l1和l3，以及两条直线段的航向角
和计算8字形航迹中两条长度相等的圆弧段长度l2和l4，所用公式如下所示。
[0036][0037][0038]
l2＝l4＝r(2μ π)
[0039][0040][0041]
其中，μ为中心轴线与8字形中一条直线段的夹角，且μ、和单位为弧度，单位为角度。mod为取余运算符，用于确保和在规定的[0,2π]区间范围内。
[0042]
计算8字形航迹两条直线段4个端点的坐标，计算公式如下所示。
[0043][0044][0045][0046][0047]
步骤二，根据直线端点的坐标、直线交点的坐标和导航点的信息构成8字形航迹导航点数据包，无人机在飞行时根据数据包的数据进行航迹的规划和计算；
[0048]
进一步的在一个实施例中，导航点数据包中的数据包括导航点信息 traj_poin和导航点之间的线段信息traj_curves，导航点信息包括北-东-地坐标系下每个导航点(即直线段四个端点)在北轴x和东轴y上的坐标与直线段与8 字形航迹对称轴的夹角，即航向值，导航点之间的线段信息包括每一条线段的长度和曲率；导航点之间的线段长度用于辅助计算无人机当前位置处于该线段的何处，曲率用于确定生成圆弧段曲线的圆心。
[0049]
在一个实施例中，为实现无人机在提出的8字形航迹上持续进行循环往复周期性飞行，需在导航点数据包最后一行重复增加第一行的信息，从而得到5 个导航点，5个导航点按顺序依次连接分别对应4条线段，每条线段的端点为该段航迹的起始点与终点，与5个导航点依次对应。
[0050][0051]
进一步的在一个实施例中，本发明采用常规成熟化的dubins曲线生成算法实现两条直线间相切圆弧曲线光滑过渡。
[0052]
步骤三，根据无人机的实际位置确定其是否处于定义的8字形航迹中，若在则进行下一步，若不在，则将8字形航迹中直线端点或交点的坐标作为航迹的终点，生成航迹后飞行，到达终点后，进行下一步；
[0053]
步骤四，根据无人机的实际位置和定义的8字形航迹的位置，确定无人机在8字形航迹中的表征位置；
[0054]
进一步的在一个实施例中，所述的确定无人机处于定义的8字形航迹中表征位置的方法为：
[0055]
s4.1以8字形航迹中心点坐标为参考，计算无人机实际位置相对于该参考点在北-东-地坐标系下的实际坐标；
[0056]
在一个实施例中，以8字形中心点经纬度高坐标(x0,y0,z0)为参考点，计算无人机当前经纬度位置(x
uav
,y
uav
)相对于该参考点在北-东-地坐标系下的坐标 (x
′
uav
,y
′
uav
)，计算公式如下：
[0057]
x
′
uav
＝(x
uav-x0)(rm z0)
[0058]y′
uav
＝(y
uav-y0)(rn z0)cos(x0)
[0059]
e2＝b*(2-b)
[0060][0061][0062][0063]
其中，a＝6378137.0，b＝1/298.257223563。
[0064]
s4.2根据无人机的实际坐标和其数据包中的曲率，确定无人机处于8字形航迹中的直线段还是曲线段，若处在直线段，则进行s4.3，若处在曲线段，则进行s4.4；
[0065]
当无人机飞行至定义的8字形航迹中时，由于其实际位置通常与理论航迹有一定偏差，需根据traj_points和traj_curves信息来计算无人机当前位置在理论航迹直线段或圆弧段上的表征位置。若无人机当前位置对应表征位置的理论航迹中曲率为0，则表示无人机所在定义的8字形航迹为直线；若判断无人机当前位置对应表征位置的理论航迹中曲率不等于0，则表示无人机所在定义的8字形航迹为曲线。
[0066]
s4.3以无人机的当前位置为圆心，以r
l
为半径画圆，所画的圆与8字形航迹中的直线段的相对位置有三种，一种为没有交点，一种为有一个交点，一种为有两个交点；当相对位置为没有交点和有一个交点时，取距离无人机位置最近的8字形航迹中直线段的点为无人机在8字形航迹中表征位置当相对位置为有两个交点时，取沿航向前方的直线段交点为无人机在8字形航迹中表征位置
[0067]
计算公式如下：
[0068][0069]
[0070][0071][0072]
其中，s0和d为中间计算过程变量，表示无人机在理论航迹上表征的位置到理论航迹起始点的距离，x
start
和y
start
分别为该段理论直线航迹的起点坐标。
[0073]
在一个实施例中，r
l
为给定数值，来源于s.park在2004年提出的l1-导航算法(详见文献park,s.,deyst,j.,and how,j.p.,“a new nonlinearguidance logic for trajectory tracking,”aiaa guidance,navigation,andcontrol conference and exhibit,aug.2004.),该值直接影响到无人机的期望转弯速率进而影响到副翼的舵偏量大小，减少该值可使无人机在偏离理论航线后更快速地向理论航线纠正，增强控制响应能力，提高跟踪精度，但有可能带来控制系统的不稳定。反之，增大该值可保证控制系统的稳定性，但有可能使无人机的控制响应力不够，达不到预期的跟踪期望。结合无人机本身特性该值大小取值有所不同，对于低速飞行器而言一般在百米(150m～300m)量级。
[0074]
s4.4以无人机的当前位置为圆心，以r
l
为半径画圆，所画的圆与8字形航迹中的曲线段的相对位置有三种，一种为没有交点，一种为有一个交点，一种为有两个交点；当相对位置为没有交点和有一个交点时，取距离无人机位置最近的8字形航迹中的曲线点为无人机在8字形航迹中表征位置；当相对位置为有两个交点时，取沿航向前方的曲线上的交点为无人机在8字形航迹中表征位置。
[0075]
在曲线理论航迹中，根据曲线的曲率r
′
可求解对应的圆心坐标(x
center
,y
center
)，之后再根据无人机当前位置和曲线理论航迹的起点位置分别求解其相对于曲线圆心的极坐标(θ
uav
,ρ
uav
)和(θ
start
,ρ
start
)，计算公式如下
[0076][0077][0078][0079][0080][0081][0082]
其中seg表示当前飞行段曲线在定义的理论航迹上的序号，sign表示符号函数，若
其参数为负值则取-1，若其参数为0则取0，若其参数为正值则取1，表示第seg段航迹的航向，表示无人机在理论航迹上表征的位置，表示无人机在理论航迹上表征的位置到理论航迹起始点的距离，x
start
和y
start
分别为该段理论直线航迹中的起点坐标。
[0083]
步骤五，根据无人机当前位置在定义的8字形航迹的表征位置，实时判断无人机是否飞过当前理论航迹的终点。
[0084]
进一步的在一个实施例中，判断无人机是否飞过理论航迹终点以无人机在当前理论航迹上表征位置的距离是否大于当前理论航迹飞行段seg段的长度traj_curves(seg,1)为准进行判断，计算公式如下。
[0085][0086]
根据步骤4中的traj_points和traj_curves定义与对应方式可知，将飞过的终点置为起点，原航迹信息中下一点置为终点的方法可通过在当前航迹段序号seg上加1 来实现，如果需要按照8字形航迹循环往复飞行，需进一步通过取余的方式实现，计算公式如下。
[0087][0088]
其中，seg为无人机在当前航迹飞行段的线段序号，traj_n表示导航点的个数，对于本发明定义的8字形航迹，traj_n值为4，mod为取余运算符。是否需要无人机按照设定的航迹循环往复飞行可通过在地面发送遥控指令实现，跳出8字形航迹并使无人机飞向其他航迹也可通过地面发送遥控指令来实现。
[0089]
进一步的，无人机进行不同的8字形航迹飞行时，通过修订8字形航向、8 字形圆弧段半径、8字形尺寸来得到修订后的8字形航迹，然后按照所述一种无人机8字形航迹生成方法进行航迹生成。
[0090]
为了对本发明提供的一种无人机8字形航迹生成方法有更进一步了解，下面结合具体实例及附图进行详细说明。
[0091]
首先，假设根据飞行任务需在某区域执行8字形航迹飞行，经现场实地测量后设定8字形航迹中心点经纬高坐标为 (23.70987991
°
,103.81817501
°
,1700m)，8字形航向为137.7
°
，8字形圆弧段半径为1500m，8字形尺寸为8000m。
[0092]
结合图2可以看出，在定义的8字形航迹中，两条对称的直线段(编号为
①
和
③
)长度l1和l3均为4000m且曲率为0，两条对称的圆弧段(编号为
②
和
④
)长度l2和l4均为6642.89m且曲率分别为-0.00067和0.00067，其中曲率为正表示逆时针圆弧飞行，曲率为负表示顺时针圆弧飞行。
[0093]
根据上述发明内容中计算公式获得8字形航迹的导航点信息traj_points和导航点之间的线段信息traj_curves，如下所示
[0094]
[0095][0096]
然后按照上述发明内容执行无人机飞行过程中的逻辑判断与计算。
[0097]
图3给出了采用本发明提出的8字形航迹生成方法所生成的变航向8字形航迹示意图，无人机以固定的8字形尺寸8000m为参数和固定的圆弧半径1500m 为参数进行飞行，根据任务需求航向分别由100
°
先切换到200
°
再切换到 300
°
。可以看出，无人机以8字形航迹中心点为中心按照需要的航向角进行了切换，方便灵活地执行了变航向8字形航迹飞行任务。
[0098]
进一步地在一个实施例中，图4给出了采用本发明提出的8字形航迹生成方法所生成的变航向变半径8字形航迹示意图，无人机以固定的8字形尺寸 10000m为参数进行飞行，根据任务需求航向分别由100
°
先切换到200
°
再切换到300
°
，对应的圆弧段半径也分别由1000m先切换到1500m再切换到2000m。可以看出，无人机以8字形航迹中心点为中心按照需要的航向角和圆弧段半径进行了切换，方便灵活地执行了变航向变半径8字形航迹飞行任务。
[0099]
进一步地在一个实施例中，图5给出了采用本发明提出的8字形航迹生成方法所生成的变航向变半径变尺寸8字形航迹示意图，无人机在飞行过程中，根据任务需求航向分别由100
°
先切换到200
°
再切换到300
°
，对应的圆弧段半径也分别由1000m先切换到1500m再切换到2000m，对应的8字形尺寸也分别由5000m先切换到8000m再切换到10000m。可以看出，无人机以8字形航迹中心点为中心按照需要的航向角、圆弧段半径、尺寸参数进行了切换，方便灵活地执行了变航向变半径变尺寸8字形航迹飞行任务。
[0100]
需要说明的是，本发明采用成熟的dubins曲线算法来自动生成直线段之间光滑相切的过渡圆弧曲线，而这种过渡需要小段航迹调整，这也是图2～图4中在不同航向不同半径或不同尺寸8字形切换过渡时出现小部分横向相交不规律曲线或直线的原因所在。受飞行任务与外界环境变化等因素影响，地面发送遥控指令使无人机在飞行中执行不同8字形航迹的切换点可能发生在当前8字形航迹的任何位置，dubins曲线可灵活、快速、方便适应这种任意性与随机性，是一种较为实用且成熟的工程方法，在其他实施例中，可根据需要选取合适的计算方法。
[0101]
根据一个实施例，提供一种无人机，采用本发明的无人机8字形航迹生成方法进行航迹规划。
[0102]
综上，本发明提供的无人机8字形航迹，相比于现有技术至少具有以下优势：
[0103]
本发明通过8字形航向、8字形圆弧段半径、8字形尺寸三个变量来对8字形航迹进行参数化描述，能快速、灵活、方便地生成不同航向不同半径不同尺寸的8字形航迹，克服传统8字形航迹中不能有效变航向变半径变尺寸的缺点，满足无人机执行任务过程中对航迹变化多元化的需求。
[0104]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。