适用于光电载荷无人机系统的任务航线自动规划方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910201682.5 (22)申请日 2019.03.18 (71)申请人 西安爱生技术集团公司 地址 710065 陕西省西安市沣惠南路34号 申请人 西北工业大学 (72)发明人 刘洋贾伟肖佳伟田雪涛 贺若飞张波 (74)专利代理机构 西北工业大学专利中心 61204 代理人 金凤 (51)Int.Cl. G05D 1/12(2006.01) (54)发明名称 一种适用于光电载荷无人机系统的任务航 线自动规划方法 (57)摘要 本发明提供了一种适用于光电载荷无人机 系。

2、统的任务航线自动规划方法， 根据给定的目标 区域信息， 自动生成任务航线引导无人机执行光 电侦察任务， 若侦察目标点， 则进入定点模式的 航线， 若侦察目标区域， 则进入弓形模式的航线。 本发明提出一种适用于光电载荷无人机系统的 任务航线规划方法， 与之前的手动航线规划方式 相比， 利用了已知的目标区域和目标点信息， 计 算出航点信息， 提高了规划航线的精确度； 同时 本发明在给定了目标区域和目标点的参数后自 动生成任务规划航线， 免除了操作员在图上作业 的不便， 极大地提高了光电载荷任务规划的效 率。 权利要求书3页 说明书8页 附图5页 CN 109885102 A 2019.06.14 。

3、CN 109885102 A 1.一种适用于光电载荷无人机系统的任务航线自动规划方法， 其特征在于包括下述步 骤： 步骤1： 根据上级指挥员下达的光电载荷无人机执行的侦察任务， 确定任务对象是侦察 目标点还是侦察目标区域， 选择执行的任务模式， 若侦察目标点， 则进入定点模式规划流 程， 进入步骤2； 若侦察目标区域， 则进入弓形模式规划流程， 即进入步骤3； 步骤2： 若为定点模式， 则依据以下步骤进行： 步骤2.1： 接受侦察任务目标参数输入： 驶入目标区域A点经纬度坐标(LA， BA)， 驶出目标 区域B点经纬度坐标(LB， BB)， 侦察目标点T点经纬度(LT， BT)， 海拔高度为H。

4、T， 无人机在执行侦 察任务时相对目标区域的高度为h， 无人机围绕目标点作圆周飞行时的盘旋圆的半径为RT， 目标区域为长方形， 由上级指挥控制系统下传目标区域的长、 宽、 以及中心点参数； 步骤2.2： 将A点经纬度坐标(LA， BA)转换为平面直角坐标下的位置(XA， YA)， 将B点经纬度 坐标(LB， BB)转换为平面直角坐标下的位置(XB， YB)， 将侦察目标点T点经纬度(LT， BT)， 转换 为平面直角坐标下的位置(XT， YT)， 根据三点的位置计算出A点至T点的距离DAT以及B点至T 点的距离DBT： 步骤2.3： 通过A点作盘旋圆的切线， 切点为S点， 通过B点作盘旋圆的切。

5、线， 切点为E点， 计算A点至S点的距离DAS以及B点至E点的距离DBE： 步骤2.4： A点与目标点T点连线的方向角为 ， 线段AT与AS形成的夹角为 ， 同样B点与 目标点T点连线的方向角为 ， 线段BT与BE形成的夹角为 ， 则： 步骤2.5： A点与S点连线的方向角为 ， B点与E点连线的方向角为 ； 若 - 0， 则 若 - 0， 则 步骤2.6： 根据方向角 和 ， A点位置坐标(XA， YA)和B点位置坐标(XB， YB)， 距离DAS和距 权利要求书 1/3 页 2 CN 109885102 A 2 离DBE， 计算S点和E点的位置(Xs， Ys)和(XE， YE)： 再利用坐。

6、标转换将S点和E点的直角坐标(Xs， Ys)和(XE， YE)转换为经纬度(Ls， Bs)和(LE， BE)； 步骤2.7： 定点模式的任务航线航点依次为： A点驶入点： 坐标(LA， BA， HT+h)； S点开始侦察点： 坐标(Ls， Bs， HT+h)， 指令为开始侦察， 盘旋半径为RT， 盘旋圆心为(LT， BT)， 盘旋周期为n， 经过n次盘旋后进入E点结束侦察； E点结束侦察点： 坐标(LE， BE， HT+h)， 指令为结束侦察； B点驶出点： 坐标(LB， BB， HT+h)； 步骤3： 若为弓形模式(无人机载侦察时的任务航线为弓形)， 则依据以下步骤进行： 步骤3.1： 接受。

7、侦察任务参数输入： 侦察区为宽度DW、 高度DH的长方形， 长方形侦察区的 中心点C点的经纬度坐标(LC， BC)， 侦察区域倾斜角为 ， 区域海拔高为HS， 无人机在执行任务 时相对于侦察区域的高度为h， 弓形航线的间距为d； 步骤3.2： 假设区域倾斜角为0度， 将区域中心点C点的经纬度坐标(LC， BC)， 转换为平面 直角坐标下的位置(XC， YC)， 计算区域顶点0点(将该点作为弓形航线的起始点)的位置： 步骤3.3： 以1、 2、 3、 4四个点为一个循环， 计算整个区域的循环次数(为向 下取整函数， 即表示不大于X的最大整数)， 则整个区域的弓形航线航点数为N4n+1， 对 i从。

8、0开始进行循环， in， j4n， 计算除起始点0点以外的航点位置： 步骤3.4： 利用给定角度的坐标变换计算侦察区域倾斜角为 时的弓形航线航点位置， K 为航点序号(K从0开始)， *代表侦察区域旋转倾斜角 之后的弓形航线航点： 权利要求书 2/3 页 3 CN 109885102 A 3 将所有航点直角坐标位置转化为经纬度坐标(Lk， Bk)， 所有弓形航线航点高度均为H Hs+h。 权利要求书 3/3 页 4 CN 109885102 A 4 一种适用于光电载荷无人机系统的任务航线自动规划方法 技术领域 0001 本发明涉及无人机任务规划领域， 更具体地说， 是指一种适用于无人机系统的任。

9、 务航线规划方法。 背景技术 0002 无人机的主要任务之一就是侦察和监视， 侦察无人机快速发展成为了无人机机的 主力军， 需要根据侦察的目标和范围进行航线规划， 以便使机载侦察设备采集到需要的侦 察信息， 从而为其它武器协同作战提供保障。 0003 最基本的航线规划方法是通过无人机系统地面控制站软件在数字地图上设置航 程点形成航线， 然后将规划的航线信息通过无线电数据链上传至飞机， 再由机载导航系统 控制飞机沿航线飞行。 0004 这种人工手动规划任务航线， 费时费力且精确度不高， 难以适应飞行时快速任务 航线规划的需要。 0005 目前未见相关的光电载荷无人机系统任务航线自动规划方法。 发。

10、明内容 0006 为了克服现有技术的不足， 本发明提供一种适用于光电载荷无人机系统的任务航 线自动规划方法， 根据给定的目标区域信息， 自动生成任务航线引导无人机执行光电侦察 任务。 0007 本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下： 0008 步骤1： 根据上级指挥员下达的光电载荷无人机执行的侦察任务， 确定任务对象是 侦察目标点还是侦察目标区域， 选择执行的任务模式， 若侦察目标点， 则进入定点模式规划 流程， 进入步骤2； 若侦察目标区域， 则进入弓形模式规划流程， 即进入步骤3； 0009 步骤2： 若为定点模式， 则依据以下步骤进行： 0010 步骤2.1： 接受侦察任务目标。

11、参数输入： 驶入目标区域A点经纬度坐标(LA， BA)， 驶出 目标区域B点经纬度坐标(LB， BB)， 侦察目标点T点经纬度(LT， BT)， 海拔高度为HT， 无人机在执 行侦察任务时相对目标区域的高度为h， 无人机围绕目标点作圆周飞行时的盘旋圆的半径 为RT， 目标区域为长方形， 由上级指挥控制系统下传目标区域的长、 宽、 以及中心点参数； 0011 步骤2.2： 将A点经纬度坐标(LA， BA)转换为平面直角坐标下的位置(XA， YA)， 将B点 经纬度坐标(LB， BB)转换为平面直角坐标下的位置(XB， YB)， 将侦察目标点T点经纬度(LT， BT)， 转换为平面直角坐标下的位置。

12、(XT， YT)， 根据三点的位置计算出A点至T点的距离DAT以及 B点至T点的距离DBT： 0012 0013 步骤2.3： 通过A点作盘旋圆的切线， 切点为S点， 通过B点作盘旋圆的切线， 切点为E 点， 计算A点至S点的距离DAS以及B点至E点的距离DBE： 说明书 1/8 页 5 CN 109885102 A 5 0014 0015 步骤2.4： A点与目标点T点连线的方向角为 ， 线段AT与AS形成的夹角为 ， 同样B 点与目标点T点连线的方向角为 ， 线段BT与BE形成的夹角为 ， 则： 0016 0017 步骤2.5： A点与S点连线的方向角为 ， B点与E点连线的方向角为 ； 。

13、0018若 - 0， 则 0019若 - 0， 则 0020 步骤2.6： 根据方向角 和 ， A点位置坐标(XA， YA)和B点位置坐标(XB， YB)， 距离DAS 和距离DBE， 计算S点和E点的位置(Xs， Ys)和(XE， YE)： 0021 0022 再利用坐标转换将S点和E点的直角坐标(Xs， Ys)和(XE， YE)转换为经纬度(Ls， Bs)和 (LE， BE)； 0023 步骤2.7： 定点模式的任务航线航点依次为： 0024 A点驶入点： 坐标(LA， BA， HT+h)； 0025 S点开始侦察点： 坐标(Ls， Bs， HT+h)， 指令为开始侦察， 盘旋半径为RT，。

14、 盘旋圆心为 (LT， BT)， 盘旋周期为n， 经过n次盘旋后进入E点结束侦察； 0026 E点结束侦察点： 坐标(LE， BE， HT+h)， 指令为结束侦察； 0027 B点驶出点： 坐标(LB， BB， HT+h)； 0028 步骤3： 若为弓形模式(无人机载侦察时的任务航线为弓形)， 则依据以下步骤进 行： 0029 步骤3.1： 接受侦察任务参数输入： 侦察区为宽度DW、 高度DH的长方形， 长方形侦察 区的中心点C点的经纬度坐标(LC， BC)， 侦察区域倾斜角为 ， 区域海拔高为HS， 无人机在执行 任务时相对于侦察区域的高度为h， 弓形航线的间距为d； 0030 步骤3.2：。

15、 假设区域倾斜角为0度， 将区域中心点C点的经纬度坐标(LC， BC)， 转换为 平面直角坐标下的位置(XC， YC)， 计算区域顶点0点(将该点作为弓形航线的起始点)的位置： 说明书 2/8 页 6 CN 109885102 A 6 0031 0032步骤3.3： 以1、 2、 3、 4四个点为一个循环， 计算整个区域的循环次为 向下取整函数， 即示不大于X的最大整数)， 则整个区域的弓形航线航点数为N4n+1， 对 i从0开始进行循环， in， j4n， 计算除起始点0点以外的航点位置： 0033 0034 0035 0036 0037 步骤3.4： 利用给定角度的坐标变换计算侦察区域倾斜。

16、角为 时的弓形航线航点位 置， K为航点序号(K从0开始)， *代表侦察区域旋转倾斜角 之后的弓形航线航点： 0038 0039 将所有航点直角坐标位置转化为经纬度坐标(Lk， Bk)， 所有弓形航线航点高度均为 HHs+h。 0040 本发明的有益效果在于由于提出一种适用于光电载荷无人机系统的任务航线规 划方法， 与之前的手动航线规划方式相比， 利用了已知的目标区域和目标点信息， 计算出航 点信息， 提高了规划航线的精确度； 同时本发明在给定了目标区域和目标点的参数后自动 生成任务规划航线， 免除了操作员在图上作业的不便， 极大地提高了光电载荷任务规划的 效率。 附图说明 0041 图1为本。

17、发明定点模式侦察目标信息示意图。 0042 图2为本发明定点模式开始侦察点和结束侦察点计算关系示意图。 0043 图3为本发明弓形模式侦察区域信息示意图。 0044 图4为本发明弓形模式规划航线示意图。 0045 图5为本发明光电载荷无人机航线规划流程图。 0046 其中， RT为盘旋圆的半径， A为驶入目标区域点， B为驶出目标区域点， T为侦察目标 点， DAT为A点至T点的距离， DBT为B点至T点的距离， DAS为A点至S点的距离， DBE为B点至E点的距 离， 为A点与目标点T点连线的方向角， AT与AS形成的夹角为 ， B点与目标点T点连线的方 向角为 ， 线段BT与BE形成的夹角。

18、为 ， A点与S点连线的方向角为 ， B点与E点连线的方向 说明书 3/8 页 7 CN 109885102 A 7 角为 ， DW为侦察区宽度， DH为侦察区的高度， C点为侦察区的中心点， 侦察区域倾斜角为 。 具体实施方式 0047 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 0048 步骤1： 根据上级指挥员下达的光电载荷无人机执行的侦察任务， 确定任务对象是 侦察目标点还是侦察目标区域， 选择执行的任务模式， 若侦察目标点， 则进入定点模式规划 流程,， 进入步骤2； 若侦察目标区域， 则进入弓形模式规划流程， 即进入步骤3； 0049 步骤2： 若为定点模式， 则依据以下步骤进行： 。

19、0050 步骤2.1： 接受侦察任务目标参数输入： 驶入目标区域A点经纬度坐标(LA， BA)， 驶出 目标区域B点经纬度坐标(LB， BB)， 侦察目标点T点经纬度(LT， BT)， 海拔高度为HT， 无人机在执 行侦察任务时相对目标区域的高度为h， 无人机围绕目标点作圆周飞行时的盘旋圆的半径 为RT， 如附图1所示， 目标区域为长方形， 由上级指挥控制系统下传目标区域的长、 宽、 以及 中心点参数； 0051 步骤2.2： 将A点经纬度坐标(LA， BA)转换为平面直角坐标下的位置(XA， YA)， 将B点 经纬度坐标(LB， BB)转换为平面直角坐标下的位置(XB， YB)， 将侦察目标。

20、点T点经纬度(LT， BT)， 转换为平面直角坐标下的位置(XT， YT)， 根据三点的位置计算出A点至T点的距离DAT以及 B点至T点的距离DBT： 0052 0053 步骤2.3： 通过A点作盘旋圆的切线， 切点为S点， 通过B点作盘旋圆的切线， 切点为E 点， 如图2所示； 计算A点至S点的距离DAS以及B点至E点的距离DBE： 0054 0055 步骤2.4： 如图2所示， A点与目标点T点连线的方向角为 ， 线段AT与AS形成的夹角 为 ， 同样B点与目标点T点连线的方向角为 ， 线段BT与BE形成的夹角为 ， 则： 0056 0057 步骤2.5： 如图2所示， A点与S点连线的方。

21、向角为 ， B点与E点连线的方向角为 ； 0058若 - 0， 则 说明书 4/8 页 8 CN 109885102 A 8 0059若 - 0， 则 0060 步骤2.6： 根据方向角a 和 ， A点位置坐标(XA， YA)和B点位置坐标(XB， YB)， 距离DAS 和距离DBE， 计算S点和E点的位置(Xs， Ys)和(XE， YE)： 0061 0062 再利用坐标转换将S点和E点的直角坐标(Xs， Ys)和(XE， YE)转换为经纬度(LS， BS)和 (LE， BE)； 0063 步骤2.7： 定点模式的任务航线航点依次为： 0064 A点驶入点： 坐标(LA， BA， HT+h)。

22、； 0065 S点开始侦察点： 坐标(Ls， Bs， HT+h)， 指令为开始侦察， 盘旋半径为RT， 盘旋圆心为 (LT， BT)， 盘旋周期为n， 经过n次盘旋后进入E点结束侦察； 0066 E点结束侦察点： 坐标(LE， BE， HT+h)， 指令为结束侦察； 0067 B点驶出点： 坐标(LB， BB， HT+j)； 0068 步骤3： 若为弓形模式(无人机载侦察时的任务航线为弓形)， 则依据以下步骤进 行： 0069 步骤3.1： 接受侦察任务参数输入： 侦察区为宽度DW、 高度DH的长方形， 长方形侦察 区的中心点C点的经纬度坐标(LC， BC)， 侦察区域倾斜角为 ， 如图3所示。

23、， 区域海拔高为HS， 无 人机在执行任务时相对于侦察区域的高度为h， 弓形航线的间距为d； 0070 步骤3.2： 假设区域倾斜角为0度， 将区域中心点C点的经纬度坐标(LC， BC)， 转换为 平面直角坐标下的位置(XC， YC)， 计算区域顶点0点(将该点作为弓形航线的起始点)的位置： 0071 0072 步骤3.3： 如图4所示， 以1、 2、 3、 4四个点为一个循环， 计算整个区域的循环次数 (为向下取整函数， 即表示不大于X的最大整数)， 则整个区域的弓形航线 航点数为N4n+1， 对i从0开始进行循环， in， j4n， 计算除起始点0点以外的航点位置： 0073 0074 0。

24、075 说明书 5/8 页 9 CN 109885102 A 9 0076 0077 步骤3.4： 利用给定角度的坐标变换计算侦察区域倾斜角为 时的弓形航线航点位 置， K为航点序号(K从0开始)， *代表侦察区域旋转倾斜角 之后的弓形航线航点： 0078 0079 将所有航点直角坐标位置转化为经纬度坐标(Lk， Bk)， 所有弓形航线航点高度均为 HHs+h。 0080 本发明实施例的详细步骤如下： 0081 步骤1： 选择执行的任务模式为定点模式还是弓形模式。 0082 步骤2： 若为定点模式， 则依据以下步骤进行： 0083 a)接受侦察任务目标参数输入： 驶入目标区域A点经纬度坐标(L。

25、A， BA)， 驶出目标区 域B点经纬度坐标(LB， BB)， 侦察目标点T点经纬度(LT， BT)， 海拔高度为HT， 无人机在执行侦察 任务时相对目标区域的高度为h2000m， 无人机绕着目标点盘旋的半径为RT1000m。 0084 b)将A点经纬度坐标(LA， BA)、 B点经纬度坐标(LB， BB)和侦察目标点T点经纬度(LT， BT)转换为平面直角坐标下的位置(XA， YA)、 (XB， YB)和(XT， YT)。 根据三点的为直角坐标位置 计算出A点至T点的距离DAT以及B点至T点的距离DBT： 0085 0086 c)根据切线的定义和直角三角形的特性。 计算A点至S点的距离DAS。

26、以及B点至E点的 距离DBE： 0087 0088 d)计算方向角 和 ， 夹角 和 ： 0089 0090 e)计算方向角为a 和为 ， 本发明中的所有角度的范围均为0， 360)， 若不在此范 围应通过加或者减去360将角度转换到此区间。 0091若 - 0， 则 说明书 6/8 页 10 CN 109885102 A 10 0092若 - 0， 则 0093 f)根据方向角 和 ， A点位置坐标(XA， YA)和B点位置坐标(XB， YB)， 距离DAS和距离 DBE， 计算S点和E点的位置(Xs， Ys)和(XE， YE)： 0094 0095 再利用坐标转换将S点和E点的直角坐标(X。

27、s， Ys)和(XE， YE)转换为经纬度(Ls， Bs)和 (LE， BE)。 0096 g)定点模式的任务航线航点依次为： 0097 A点驶入点： 坐标(LA， BA， HT+2000)； 0098 S点开始侦察点： 坐标(Ls， Bs， HT+2000)， 指令为开始侦察， 盘旋半径为1000m， 盘旋 圆心为(LT， BT)， 盘旋周期为3； 0099 E点结束侦察点： 坐标(LE， BE， HT+2000)， 指令为结束侦察。 0100 B点驶出点： (LB， BB， HT+2000)。 0101 步骤3： 若为弓形模式， 则依据以下步骤进行： 0102 a)接受侦察任务参数输入： 。

28、长方形侦察区的宽度DW6500m、 高度DH2500m， 区域 中心点C点的经纬度坐标(LC， BC)， 侦察区域倾斜角为 45 。 区域海拔高为Hs， 无人机在执 行任务时相对于侦察区域的高度h2000m， 弓形航线的间距为d1000m。 0103 b)假设区域倾斜角为0度， 将区域中心点C点的经纬度坐标(LC， BC)， 转换为平面直 角坐标下的位置(XC， YC)， 计算区域顶点0点： 0104 0105 c)如附图4所示， 以1、 2、 3、 4四个点为一个循环， 计算整个区域的循环次数 则整个区域的弓形航线航点数为N4n+113， 利用for循环对i从 0开始进行循环， in， j4。

29、n， 计算除起始点0点以外的航点位置: 0106 0107 0108 0109 0110 d)利用给定角度的坐标变换计算侦察区域倾斜角为 45 时的弓形航线航点直 角坐标位置， K为航点序号(K从0开始)， *代表侦察区域旋转45 之后的弓形航线航点： 说明书 7/8 页 11 CN 109885102 A 11 0111 0112 将所有航点直角坐标位置转化为经纬度坐标(Lk， Bk)， 所有弓形航线航点高度均为 HHs+2000(单位： m)。 0113 光电载荷无人机航线规划流程图如附图5所示。 0114 本发明已经应用于某型无人机系统中， 在该系统中， 本发明在地面站的导航监控 软件中实现。 导航监控软件通过网络与数据链系统的地面数据终端进行数据交互， 并通过 地面数据终端向无人机发送自动生成的光电载荷任务航线数据。 说明书 8/8 页 12 CN 109885102 A 12 图1 说明书附图 1/5 页 13 CN 109885102 A 13 图2 说明书附图 2/5 页 14 CN 109885102 A 14 图3 说明书附图 3/5 页 15 CN 109885102 A 15 图4 说明书附图 4/5 页 16 CN 109885102 A 16 图5 说明书附图 5/5 页 17 CN 109885102 A 17 。