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申请/专利权人：山东理工大学

摘要：本发明涉及一种多粒度转换的无人直升机航线规划方法，其步骤为：构建多粒度静态威胁模型，计算高粒度模式下高安全性的二维可飞概率矩阵，生成概率适飞区域，构建飞行航线集，执行航线动态规划，计算最优飞行航线，采用3次B‑Spline方法改进最优飞行航线，实现航线可飞行性优化。本发明是考虑到动态、静态威胁时空关系特征、飞行安全性和飞机性能等的航线选优问题。其算例结果表明，利用多粒度转换算法在复杂威胁环境下能实现航线快速规划，该方法能够利用高粒度给无人直升机提供快速、有效飞行航线服务同时提高了第粒度飞行中回避突发威胁的能力。

主权项：1.一种多粒度转换的无人直升机航线规划方法，其特征采用以下实现步骤：1构建多粒度静态威胁模型z、z1，数学描述如下：[x，y]＝meshgrid1：n1z＝100*exp-x-40.^23^2-y-10.^24^2+150*exp-x-5.^23^2-y-10.^24^2+180*exp-x-15.^23^2-y-19.^24^2+120*exp-x-35.^23^2-y-45.^24^2+160*exp-x-15.^23^2-y-45.^24^22[x1，y1]＝meshgrid1：5：n3z1＝100*exp-x1-40.^23^2-y1-10.^24^2+150*exp-x1-5.^23^2-y1-10.^24^2+180*exp-x1-15.^23^2-y1-19.^24^2+120*exp-x1-35.^23^2-y1-45.^24^2+160*exp-x1-15.^23^2-y1-45.^24^24上述公式中，[]为矩阵符号，符号“：”表示生成等步长向量的运算符，n、meshgrid、x、y分别表示空域的范围、由向量1：n生成横坐标及纵坐标矩阵的函数及其生成的低粒度横、纵坐标矩阵；exp表示计算指数的函数，“^”、“.^”分别表示常数乘方和矩阵对应元素乘方的点乘方，x1、y1分别表示生成的低粒度横、纵坐标矩阵，z、z1分别表示低粒度静态威胁模型及高粒度静态威胁模型；2计算高粒度模式下高安全性的二维可飞概率矩阵caljz41：首先利用公式5～8得到高粒度静态威胁平面图形的二值化图BW和初始去威胁化图像BW1：im＝imagescz15BW＝im2bwim.CData6BW2＝bwareaopenBW，37BW1＝double～BW28公式5～8中，imagesc、im分别为将高粒度矩阵z1中的元素数值按数值大小转化为不同颜色，并在坐标轴对应位置处以这种颜色染色的函数及其生成的图像，im.CData、im2bw、BW分别为图像im的数据矩阵、将高粒度静态威胁平面图形转化为二值化图的函数及其生成的图像，bwareaopen、BW2分别为删除二值图像BW中面积小于3的对象函数及其处理后的图像，double、“～”、BW1分别为将逻辑值转换为数值的函数、取相反数的符号和转换为数值型的图像矩阵；然后利用公式9～12得到不同选项安全性能优选后的可飞区域ultimateErosion、ultimateErosion1、ultimateErosion2、ultimateErosion3：ultimateErosion＝bwulterodeBW1，′quasi-euclidean′，49ultimateErosion1＝bwulterodeBW1，′chessboard′，410ultimateErosion2＝bwulterodeBW1，′cityblock′，411ultimateErosion3＝bwulterodeBW1，′euclidean′，412最后利用公式13对优选后的可飞区域求二维可飞概率矩阵caljz41：gljz41＝ultimateErosion|ultimateErosion1|ultimateErosion2|ultimateErosion313公式9～12中，bwulterode、quasi-euclidean、chessboard、cityblock、euclidean分别表示生成优选后的可飞区域的基于距离极大值变换的终极腐蚀函数及其不同距离选项：类欧几里得距离、棋盘距离、出租车距离和欧几里得距离，“4”表示选择了四邻域计算距离；公式13中，“|”、caljz41分别表示关系运算符“或”和二维可飞概率矩阵；3生成概率适飞区域，构建飞行航线集：首先利用公式14提取安全飞行航迹点平面纵、横坐标row1和col1：[row1，col1，v1]＝findgljz4114公式14中，find、row1、col1、xv1s分别为查找函数、提取出飞行安全区域的横、纵坐标及其概率值；然后利用公式15～16利用最短航线池集边界对去除地形威胁后的区域进行选取，生成满足距离和安全约束的适飞区：c4＝row1+1i*col115ca1＝randpermlengthc416公式15～16中，c4、i分别表示安全区域航迹点平面坐标组成的复数场和虚数标识符，length、randperm、cal分别表示计算矩阵最长维度的函数、随机打乱一个数字序列的函数及其生成的随机序列；利用公式17～21构建飞行航线集，并计算其最优航线的三维坐标xv、yv、zv：card＝floorrand1，3*lengthc4+117[d，nd1]＝minmydistrow1nd′，col1nd′，z1row1nd，col1nd′，nd＝ca1card18xv＝[1，row1nd1′，ng]19yv＝[1，col1nd1′，ng]20zv＝z1xv，yv21公式17～21中，rand，floor，card分别表示生成随机矩阵的函数、向下取整的函数及其生成的随机矩阵，nd、nd1、mydist、min、d分别表示随机生成的组成航线及最优的航迹点序号、计算航程的函数、计算最小值的函数和最短航程，xv、yv、zv分别表示最优航线的三维坐标，ng表示高粒度航程横、纵坐标，“’”表示转置的标志符号；4执行航线动态规划，计算最优飞行航线fp：首先利用公式22～29对最优飞行航线进行优化：cxy＝xv+1i*yv22cxy0＝meanxv+1i*meanyv23cxyj＝cxy-cxy024fj＝anglecxyj25[fjn，fji]＝findfj＜026xvc＝xvfji；yvc＝yvfji；zvc＝zvfji27[dczn，dczx]＝sortdczfjn28xvl＝xvcdczx；yvl＝yvcdczx；zvl＝zvcdczx29公式22～29中，cxy，cxy0，mean分别为最优航线平面坐标及其平均值的复数场、求平均值的函数，cxyj，angle，fj分别为复数场cxy和cxy0之差、计算幅角的函数及计算出的幅角，fjn，fji分别为查找到幅角小于0的角度及其序号，xvc、yvc、zvc分别表示幅角小于0的航迹点的三维坐标，sort，dczn，dczx分别为排序函数及其排序后的航程和序号，xvl、yvl、zvl分别表示排序后的航迹点三维坐标；其次利用公式30～35产生最优航线的复数场fs2d和突发威胁影响范围边界平面坐标的复数场fsth：xty1＝xty＝[15*xvln]；yty1＝yty＝[15*yvln]；zty1＝zty＝zxty，yty+hs30fs2d＝xtyi+1j*ytyi31xth＝th1+0.5*sin0：2*pi20：2*pi32yth＝th2+0.5*cos0：2*pi20：2*pi33zth＝z0+0.5*tan0：2*pi20：2*pi34fsth＝xth+1j*yth35公式30～35中，xtv、ytv、ztv分别表示低粒度航迹点的三维坐标，xtv1、ytv1、ztv1分别表示因突发威胁影响的航迹点的三维坐标，fs2d表示最优航线的复数场，j表示虚数的标志符号，th，xth，yth，zth分别为突发威胁的位置平面坐标、突发威胁影响范围边界三维坐标，pi表示圆周率，sin，cos，tan分别为正弦、余弦和正切函数；再次利用公式36～37产生动态更新的飞行航线三维坐标：sg_ag_fsth_2d＝signanglefsth-fs2d36 公式24中，ag_fsth_2d，sg_ag_fsth_2d，sign分别为突发威胁和航线幅角差及其符号、求符号的函数，xtyy1、yty1、zty1分别表示因突发威胁影响的更新的平面坐标及其对应的高程值，max、vth、vthi分别表示计算最大值函数及其计算的ag_fsth_2d最大值和序号；最后利用公式38～42产生动态更新的飞行航线高程：fs2dg＝xtyi+1j*ztyi38fsthg＝xth+1j*zth39sg_ag_fsth_2dg＝signanglefsthg-fs2dg40[vthg，vthgi]＝maxag_fsth_2dg41zty1i+1＝vthg+hs，maxsg_ag_fsth_2dg*minsg_ag_fsth_2dg＜042公式24中，fsth2dg，fsthg，sg_ag_fsth_2dg，sign分别为航迹点高程复数集、突发威胁高程复数及突发威胁和航迹点高程幅角差的符号，vthg、vthgi分别表示计算的ag_fsth_2dg最大值和序号；5采用3次B-Spline方法改进最优飞行航线，实现航线可飞行性优化。

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