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申请/专利权人：广东工业大学

摘要：本发明公开了一种陆空两栖飞行器路径搜索方法，包括：预处理：建立陆‑空模式的统一的能耗评价标准；初始化：对栅格地图进行初始化，将真实环境离散成格栅地图，在格栅中记录环境的信息；设置路径搜索起点和终点：设置路径规划的目标点标记为Target，以飞行器当前位置为起始点标记为Start，初始化Openlist和Closedlist，将所有被占据的点装入Closedlist，将Start装入Openlist，计算代价函数；判断Openlist是否为空：若Openlist为空，则路径规划失败；若Openlist不为空，则进行下一步骤；查询代价最小的节点；路径回溯；本发明旨在提供一种陆空两栖飞行器路径搜索方法，在预处理阶段提出了统一能耗评价标准，合理考量陆空飞行器在不同模式下的运动学特性差异，生成的轨迹更加合理。

主权项：1.一种陆空两栖飞行器路径搜索方法，其特征在于，包括下述步骤：预处理：建立陆-空模式的统一的能耗评价标准；初始化：对栅格地图进行初始化，将真实环境离散成格栅地图，在格栅中记录环境的信息；设置路径搜索起点和终点：设置路径规划的目标点标记为Target，以飞行器当前位置为起始点标记为Start，初始化Openlist和Closedlist，将所有被占据的点装入Closedlist，将Start装入Openlist，计算代价函数fcost；判断Openlist是否为空：若Openlist为空，则路径规划失败；若Openlist不为空，则进行下一步骤；查询代价最小的节点：从加入Openlist的陆＝空节点中查询启发式代价最小的节点；路径回溯：从目标点进行路径回溯，查找连接起始点Start和目标点Target的符合陆空两栖飞行器动力学模型的离散路径；所述预处理的步骤中，包括下列子步骤：子步骤Al：建立陆行模式下飞行器动力学模型；子步骤A2：建立陆行模式下飞行器加速度-功耗映射函数；子步骤A3：建立空行模式下飞行器动力学模型；子步骤A4：建立空行模式下飞行器加速度功能耗映射函数；所述子步骤A1的步骤中，具体为：设陆行模式下单侧轮子转速和方向相同，Vc、ω分别为车辆质心的线速度和角速度；L、R分别表示等效后的虚拟左右轮，其速度分别用V1、Vr表示；dIr表示虚拟双轮的连线；设等效车辆模型的质心O分布在dIr的中点上，瞬时旋转中心ICR位于L和R的连线上，转弯半径为Rc；则，质心O点的角速度ω为：ω＝Vr-Vldlr；质心O点的线速度Vc为：Vc＝Vr+Vl2；联立获得简化模型的逆运动学方程： 单侧轮保持一致，设四个轮子对应的转速为{ωM1，ωM2，ωM3，ωM4}，轮子半径为Rm，则四轮转速与等效双轮转速应满足以下关系： 圆周运动的转弯半径Rc：Rc＝Vcω；质心O点的线速度分量为： 对质心O点的线速度分量求导，得到陆行模式下的加速度表达式： 对上式进行小角度近似，即： 其中，Δt为单次向前积分时间；所述子步骤A2的步骤中，具体为：联立逆运动学方程和动力学方程，得到陆行模式下四轮转速和车辆质心加速度分量的关系： 建立陆行模式下加速度与功率的映射关系： 所述子步骤A3的步骤中，具体为：飞行模式下的飞行器动力学模型采用四旋翼无人机动力学模型，四旋翼无人机采用X型结构，设Fi、Mi分别为单个电机产生的推力和垂直机架的力矩，且与单个电机转速wi线性正相关，则：无人机受四个电机作用下在X、Y轴产生力矩分别为： 受空气阻力的影响四个电机沿Z轴产生力矩为：Mz＝kM1-M2+M3-M4；其中k为常数；四个电机在机体平面产生的总推力为：F＝kfM1+M2-M3-M4；其中kf为常数；根据牛顿第二方程有无人机加速度a及F之间的关系有：ma＝Fe3-mg；其中m为无人机质量，g为重力加速度，e3为机体坐标系Z轴在世界系上的投影；得出无人机加速度和姿态之间的关系： 其中ψ，θ，φ为欧拉角；根据刚体欧拉方程，无人机的三轴力矩又与其自身姿态相关，ω为机体坐标系下的角速度： 建立无人机三轴加速度与F、M的映射关系，而F、M与无人机四个旋翼转速又满足以下线性映射： 所述子步骤A4的步骤中，具体为：联立运动学和动力学方程，进而得到空行模式下飞行器三轴加速度与四个旋翼转速的映射关系，建立空行模式下加速度与功率的转化方程： 在所述设置路径搜索起点和终点的步骤中，计算代价函数fcost的公式为：fcost＝gcost+hcost+λttg+th；其中gcost表示起始点Start经前向积分到当前节点的代价，hcost表示当前节点到目标点Target的启发式代价函数，λttg+th表示时间项惩罚，λt为时间惩罚权重，tg表示前向积分累计时间，th表示启发式时间；在所述查询代价最小的节点的步骤中，包括下述子步骤：子步骤B1：终点检测：计算当前节点到目标节点Target的欧氏距离Dct,如果Dct小于检测阈值，则判定找到目标点，进入路径回溯步骤；否则对当前节点进行前向积分，扩张该节点动力学基础上的邻居；子步骤B2：判断节点模式：判断节点属于陆行模式还是空行模式，地图中每个栅格都记录了当前栅格中的节点信息，包括了节点的动力学状态信息Gstate，Gstate包括节点的位置、速度以及控制输入的加速度，然后根据节点Z轴位置判断节点模式，如果节点Z轴高度小于起飞阈值，则判断为陆行模式，进入子步骤B3；否则判定为空行模式，进入子步骤B5；子步骤B3：陆行模式下的前向积分：前向积分时，对陆行下X最大加速度进行3等分，对Y轴最大加速度进行5等分： 将Uax和Uay分别作用在陆行动力学模型上，作用时间为Δtland，从而得到30个当前节点的邻居节点；对当前节点所有邻居节点进行第一次级步骤操作，直到所有邻居节点均被遍历进入判断Openlist是否为空的步骤：子步骤B4：陆行模式下对前节点在Z轴正方向上进行一次前向积分，在其fcost项额外引入模式切换惩罚λm，完成后返回判断Openlist是否为空的步骤；子步骤B5：空行模式下的前向积分：在三维空间上进行前向积分，对空行模式下X最大加速度进行3等分，对Y轴最大加速度进行5等分，对Z轴最大加速度进行5等分： 将Uax、Uay和Uaz分别作用在空行动力学模型上，作用时间为Δtfly，得到150个当前节点的邻居节点；为确保陆空模式下前向积分步长一致Δtfly、Δtland满足如下关系||·||表示取模： 依次对当前节点所有邻居节点进行第二次级步骤操作，直到所有邻居节点均被遍历，返回判断Openlist是否为空的步骤。

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