一種無人機轉彎航路平滑算法及實現

四川九洲空管科技有限責任公司 項 梅

四川九洲電器集團有限責任公司 段劉剛

隨著無人機的迅速發展，考慮到無人機受飛行轉彎半徑約束，航路中可能存在不可飛尖角，造成無人機不能按照預定的航路飛行，可能威脅到無人機自身飛行安全，迫切需要尋找一種對粗略規劃的航路的優化處理平滑算法設計，使航路滿足無人機機動穩定性要求，本文主要通過坐標轉換法、幾何學方法及無人機飛行性能相結合的設計思路，提出了一種無人機轉彎航路平滑算法，最后將所研究的算法應用于無人機的航路轉彎平滑規劃仿真，仿真結果表明所研究的轉彎航路平滑算法是有效的。

引言：飛行器航路規劃則就是指在綜合考慮飛行時間、飛行器機動性能、飛行環境條件等約束因素下,尋找一條可以使飛行器從起點到達目標點的可行或者最優的飛行軌跡；通過粗略航路點直接相連的航路規劃，難免會存在一些“彎路”和“折線”，這些“彎路”和“折線”不但沒有降低路徑的威脅成本，相反還增加了航跡的燃油成本，此外，由于無人飛行器自身物理條件的限制(如最大拐彎角、曲率半徑等)，無人機不能完全按照生成的路徑飛行。因此需對生成的路徑進行優化平滑處理，本文主要針對飛行轉彎進行模型平滑處理，直線飛行不再研究范疇。

目前，無人機航路規劃方法包括經典規劃有梯度法、樣條插值法、非線性規劃法、最優控制法、動態規劃、智能規劃方法有圖論、A* 搜索算法、神經網絡法、模擬退火法以及群智能優化等算法，航路規劃轉彎平滑方法的研究，可以應用于無人機、民航等轉彎航路設計，改善航空運行安全，提高運行效益，降低運行成本，可以作為無人機航路規劃各算法的思路補充。

1.工作原理及航路規劃平滑算法模型建立

實現航路規劃所提供的航路點數據與規劃結果數據均要求表示為經度、緯度，使用WGS-84 坐標參考系。假如航路點A到航路點B，要求轉彎半徑R(取值范圍與無人機自身性能有關)，優化從A到B的航路點使無人機機動更加穩定，正東方向為X軸，正北方向為Y軸，X軸與Y 軸單位為km。無人機轉彎坐標系如圖1，該航路規劃主要考慮經、緯度，高度進行單獨規劃，不屬于本軟件設計的考慮范圍，重點針對轉彎飛行進行航路點平滑處理。

首先坐標轉換，輸入起始航路點為坐標原點，根據轉彎半徑，建立圓的方程，從左轉和右轉可以建立兩個方程，計算兩個圓的圓心坐標，根據左轉和右轉，求出對應的圓心坐標，加上初始、結束航路點坐標信息，可以補充平滑處理轉彎飛行的航路點信息，具體工作流程如圖2所示。

圖1 無人機轉彎坐標

圖2 航路點平滑算法工作原理流程

2.仿真實例分析

本方案采用MATLAB進行簡單仿真并進行了基于轉彎航路平滑模型的真實飛行數據偏差實驗。

R=100KM，f0=101.4346；qq0=31.2577；ff1=101.3356；qq1=31.1566；

取20個航路點的情況如圖3所示。

圖3 航路點平滑規劃

圖4 民航真實轉彎平滑模型數據評估

從仿真圖可以看出，不考慮物理障礙物等因素影響，從A航路點到B航路點，轉彎半徑已知的情況下，完全可以平滑設計兩個轉彎曲線，具體為左轉彎和右轉彎兩種情況（見圖4）。

A航路點坐標（94.1199111，qq0=29.193641666）；B航路點坐標（94.0401888888，29.20097777），轉彎半徑R=28.1504海里。

左轉彎及右轉彎偏差為：

從民航轉彎飛行中，基于轉彎平滑模型，通過真實的轉彎飛行數據，經過MATLAB仿真計算，轉彎偏差小于0.1海里。

3.結論

綜上所述，可以看出，基于幾何算法和飛行性能的轉彎飛行平滑模型技術，可以作為其他航路規劃算法的有利補充，完全可以與其他方法進行結合處理，該方法也可以作為無人機、民航等的轉彎飛行評估，通過仿真可以看出，該轉彎平滑算法可以進行轉彎航路點規劃也可以作為轉彎飛行評估的基礎，該算法具有一定的理論參考價值。