【《无人机安全通道约束条件分析案例》1900字】

第第页无人机安全通道约束条件分析案例在无人机开始飞行任务之前，需要对无人机飞行航迹进行预规划，航迹规划以飞行区域的地理信息作为参照依据，航迹预规划决定了无人机飞行的安全性，因此，合理、有效地分析约束条件，是航路规划成功的关键。无人机的飞行航迹与飞行空间信息元素密切相关，如果在预规划阶段对约束条件分析不足，将最终导致该条航迹无法满足无人机的安全性。航迹规划问题要求找到从预设的起点到终点的一条最佳飞行航迹，是个复杂的多目标优化过程，要求满足该飞行空间下的威胁约束、任务约束以及无人机自身机动性能约束。首先需要划分无人机航迹规划的约束条件，即通过建立某种分析体系，来表达该飞行空间下的约束条件，具体约束条件划分如表2.2所示。表2.2无人机航迹规划约束条件约束条件所含参数威胁约束任务约束无人机性能约束雷达威胁、导弹威胁、高炮威胁、地形威胁、大气威胁等任务完成时间、起始点、目标点、固定航向角等最大转弯角、最大爬升/俯冲角、最大航程、最低飞行高度、最小转弯半径、最小航迹段、最大/最小平飞速度等1.1威胁约束结合本课题的应用场景和讨论范围，不存在威胁约束条件中的导弹威胁和高炮威胁，所以在威胁约束条件中，主要分析雷达威胁、地形威胁和大气威胁这三个条件。=1\*GB2⑴雷达威胁[36]雷达通过自身发射电磁波，并接收电磁波回波，从而获取被探测目标的方位和距离等相关信息确定目标位置，具有远距离探测、跟踪和识别的功能。雷达在所有方向上的扫描，均满足雷达的信噪比公式：#其中，为雷达信号接收机信噪比；为雷达发射机功率；为接收天线增益；为发射天线增益，通常；为被探测目标的有效雷达散射截面积；为雷达探测信号的工作波长；为玻尔兹曼（Boltzmann）常数；为雷达探测信号传播能量损耗因子；为匹配滤波器带宽；为雷达天线所处环境的绝对温度；为雷达与无人机之间的距离。上述公式（2.17）中，除与外的参数均为常数，则变换式为：#其中，为常数，又由于雷达散射截面积通常为固定数值，即也为常数，则上式（2.18）可简化为：#其中，为常数。假设雷达天线扫描范围为360°全方位探测，则雷达威胁对无人机的探测威胁概率可表示为：#其中，和分别为雷达探测区域的最小、最大半径。=2\*GB2⑵地形威胁[36]地形威胁主要指在某一高度上，对无人机飞行构成障碍威胁的山体、高地和建筑物等高度起伏不定的地形。本文的研究模型基于城市和校园环境，则地形威胁主要为建筑物高度威胁。可通过无人机飞行的位置信息与建筑物外形数据坐标的距离来判断无人机是否可以通过或绕飞地形威胁。则地形威胁对无人机的威胁概率可表示为（设为无人机与建筑物最高处的垂直距离）：#其中，当时，视无人机与建筑物最高处的距离为0，无人机发生碰撞，威胁概率为1。=3\*GB2⑶大气威胁[36]大气威胁指由于恶劣气候条件，无人机无法穿越某区域。由于本课题在仿真和实物验证阶段会避开极端恶劣天气，因此，本课题中的大气威胁主要考虑风的影响因素。风力的威胁范围用圆柱体表示，如图2.9所示。图2.9大气威胁示意图则大气威胁对无人机的威胁概率可表示为（设为无人机与风力威胁中心的距离）：#其中，当时，视无人机处在大气威胁的干扰之下，无法正常继续进行航迹仿真。1.2无人机性能约束无人机性能约束主要与无人机机体的结构设计和性能参数相关，根据表3.1中所示，本课题中所考察的无人机性能约束主要为最大爬升角、最大航程、最小转弯半径和最小航迹段四个性能约束条件。=1\*GB2⑴最大爬升角[37]在无人机三维航迹规划中，无人机的最大爬升角需要被考察在内，并且为主要性能约束条件之一。影响无人机最大爬升角的因素主要为：无人机机身构造、无人机机动性能、飞行空间环境状况等。而无人机的爬升角不宜过大，否则有可能导致无人机在飞行过程中因失速而坠落。在一般飞行状态下，视爬升角等于俯仰角。如图2.10所示，无人机从航迹点到航迹点的最大爬升角约束公式为：#图2.10无人机爬升角几何模型=2\*GB2⑵最大航程[37]无人机的最大航程受其燃油（电池容量）的限制，故存在最大航程，记为。设该条无人机航迹中共有个节点，则最大航程约束条件可表示为：#=3\*GB2⑶最小转弯半径[37]无人机在高速飞行的过程中，由于惯性的作用，改变飞行状态需要相应的时间和转弯半径，因此在航迹规划中，需要将无人机最小转弯半径纳入考虑之中。无人机飞行转弯半径示意图如图2.11所示，图2.11无人机转弯半径示意图设无人机飞行过程中的最小转弯半径为，通过判断该条航迹下的每一点曲率半径是否大于等于最小转弯半径，可以作为判定航迹是否可行的约束条件。则最小转弯半径的约束条件可表示为：。=4\*GB2⑷最小航迹段在无人机进行飞行姿态改变前，无人机必须保持直飞的最短