[发明专利]一种基于空间和时间协同的多无人机动态航路规划方法

说明书

本发明提供了一种基于空间和时间协同的多无人机动态航路规划方法，在求解协同航路的过程中，相较于单机A*航路规划算法解决了多无人机在空间上的防碰撞以及时间上的协同的问题，包括在规划时考虑防碰撞约束、步调一致的规划过程、时间协同代价和提供建议平均飞行速率；有更简易的计算结构，计算速度满足实际使用需求，通过参数调整，可以使求解速度满足实际需求的同时满足航路代价最优，协调了无人机实际飞行中的风险和飞行时间等因素，同时，在方法中设计了对突然出现需规避区域的应对机制，更面向实际应用场景，从而提高了多无人机协同动态航路规划的可用性。

技术领域

本发明涉及算法设计和仿真领域，特别涉及一种无人机动态航路规划方法。

背景技术

多个无人机在完成特定任务，例如安全监控和处置、同时投放时，从各架无人机的起点到任务点需要进行满足一定空间约束和时间协同的航路规划，即多无人机互相之间应保持一定安全距离，并且在一定的时间误差范围内到达任务点。在完成任务的过程中，无人机可能会遇到山峰、不良气候区域等，此时，无人机需要绕过这些区域飞到任务点。此外，无人机在完成特定任务的飞行过程中，需要考虑带载能源有限及压低飞行高度以保证安全等因素，这就需要在飞行前求解可行航线，选择最优的航线飞行；同时，当飞行过程中遇到突然出现的需规避区域时，可以实时求解可行航线并切换到新的航线上。

现有技术中，求解多无人机的可行航线的重要途径是采用协同航路规划算法，目前，航路规划算法很多，常用的算法有动态规划法、粒子群算法、A*算法、遗传算法以及蚁群算法等。这些算法的限制条件是不变的从起始点到目标点飞行环境，以及适应于单架无人机而没有考虑多机协同因素，这就使得目前己有的航路规划算法无法使用。

发明人在研究过程中发现，基于稀疏A*算法的无人机航路规划算法不能直接应用于多机情景，因其本身不支持数量扩展，以及缺乏多机航路规划所必须的空间上的防碰撞约束。但是可以借鉴其算法中的部分结构，在添加空间上的防碰撞约束，以及根据应用需求考虑的时间协同因素和优化取直因素的情况下构造多机航路规划算法，并进一步通过对算法参数的选取，减少计算耗时，可以在获知突然出现的需规避区域信息时求解出新的最优的航线。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于空间和时间协同的多无人机动态航路规划方法，既可以实现在多架无人机起飞前对规划空间最优航线的求解，还可以实现在实际飞行时，对于突然出现需规避区域情况下，实时求解新的可飞航路。本发明能够应用于多架无人机组成的群组或编队上。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤M01，设定共有N架无人机参与要求有空间约束和时间协同的多无人机动态航路规划，N架无人机间可以相互或与基地进行实时通讯，N架无人机的起点分别是P_start,i，任务点分别是P_end,i，P_start,i、P_end,i均为三维坐标，其中i＝1,2,…,N；

步骤M02，无人机相互通讯或同基地进行通讯，在基地的任务计算机或某架计算能力满足要求的无人机上作集中式计算，计算时需要获知规划环境信息和每架无人机的机动性能信息及当前位置、任务点信息；

步骤M03，在任务计算机中，为每架无人机建立虚拟的数据结构，设置稀疏A*算法代价函数中已规划航路长度代价、时间协同代价、高度代价、沿途威胁代价、任务角度代价以及估计航路长度代价的系数，以及依据无人机性能所建立的性能约束模型中的参数，初始化重规划模式标记为false，设置稀疏A*算法的竖直分划数目为n_V，水平分划数目为n_H；