一种基于理想流体数值计算的无人机三维航路规划方法

摘要

本发明公开了一种基于流体力学的无人机三维航路生成方法，属于航路规划领域，本发明首先计算得到沿X轴来流方向，位于原点的圆球障碍绕流流线，利用旋转平移矩阵得到平面中任意来流方向与任意障碍位置的绕流流线，根据流线是否满足部分重合条件采用两种方式将所有的流线合并成一条流线，之后根据无人机约束对三维流线进行处理得到无人机三维航路。本发明借鉴了自然界流水能够避开岩石的现象，将流体计算与航路规划相结合，同时考虑无人机飞行约束，在地形较为复杂时，能够规划出光滑且易于飞行的三维飞行避障航路。本发明地形建模简单，计算量小，满足无人机约束，实现方便。

主权项

一种基于理想流体数值计算的无人机三维航路规划方法，其特征在于：首先根据无人机约束对地形中的障碍进行预处理，之后计算出理想情况下沿X轴来流方向，位于原点的圆球障碍绕避障航路，最后利用叠加原理计算多障碍同时存在时的复杂地形无人机航路；具体步骤如下：步骤一：确定无人机的转弯半径，并与地形中的所有障碍半径进行比较，根据转弯半径和障碍半径的大小关系，以及障碍间的相对位置，进行地形的预处理；步骤二：根据定常忽略粘性的不可压缩理想流体，沿空间直角坐标系X轴来流方向作用于位于原点的圆球障碍绕流问题的解析解，在该直角坐标系下求得流速沿X、Y和Z轴的分量；对于空间中任意一点P，极坐标系建立在点P与X轴所构成的平面上；空间直角坐标系的坐标原点与平面二维极坐标系的极点重合，为点O，空间直角坐标系的X轴与平面二维极坐标系的极轴X′轴重合；在该极坐标系下流体的速度势为OP与极轴之间的夹角为θ角，点P与点O的距离为|OP|＝r，V_∞为流体的流速，a为圆球障碍的半径，在空间直角坐标系下，P的坐标为(x，y，z)，则有用u、v和w代表三维情况下流速沿空间直角坐标系X、Y和Z轴的分量，则步骤三：计算每个障碍的加权系数；用m代表地形中障碍的数量，假设第i个障碍的半径为a_i，其球心位置为定义距离函数b_i如下：$b_i=\sqrt{{(x^2-b_{x_i}^2)}^2+{(y^2-b_{y_i}^2)}^2+{(z^2-b_{z_i}^2)}^2}-a_i$其中i＝1...m(x,y,z)表示步骤二中P点的坐标，并定义插值函数α如下${\alpha }_i=\underset{j\ne i}{\Pi }\frac{b_j}{b_i+b_j}$其中i＝1...m；步骤四：结合步骤二和步骤三的方程组，对每个障碍进行方程组求解并最后求和，得到无人机三维飞行航路。