【深度】基於監測任務的多旋翼無人機路徑規劃

今日薦文的作者為裝甲兵工程學院專家劉玉軍，張行知，陳坤和裝甲兵學院專家蔡猛等。本篇節選自論文《基於監測任務的多旋翼無人機路徑規劃》，發表於《電子科學研究院學報》第12卷第1期。

摘 要：針對當前空中無線電監測依賴於懸停或沿預設軌跡飛行的監測方式，不能充分利用空中平台機動靈活的能力，無法獲得最佳測量位置和測量值的問題，分析了空中無線電監測任務和監測過程，在現有空中電磁頻譜測向定位方法的基礎上，提出一種多旋翼無人機自主路徑規劃方法，根據監測任務實時進行無線電監測，將循環迭代的監測結果作為自主路徑規劃的依據，研究包括無人機飛行的高度、方向、轉向判據和轉向角度的控制方法，並設計了無人機路徑規劃流程。

基於無人空中平台的無線電監測從20世紀90年代末就開始有相關嘗試。到目前為止，無人空中監測主要採用升空懸停監測和預先規劃軌跡監測兩種方式。升空懸停監測只是單純地提升了接收機和天線的高度，擴大了監測範圍，提高了某些參數的測量精度，可觀測的內容與地面監測站大體一致。預先規劃軌跡監測需要在無人平台升空前，由操作人員根據既定測量任務、監測區域地形、地物、地貌以及測量經驗，預先設定飛行路線。但是空間電磁環境十分複雜，固定的飛行路線不能有針對性的實施監測任務，無法滿足尋找無線電信號最佳測量時機和測量位置的精確測量需要。

現有的無人機自動路徑規劃都是用於完成既定任務、規避地面和空中障礙物的路徑規劃方法，相比於預先規劃飛行軌跡，自動路徑規劃的環境適應性更好，能夠在更加複雜的動態環境下完成既定任務，但目前這些路徑規劃演算法的規劃原則與無線電監測無關，對提高空中無線電監測性能沒有任何幫助，但這種適應環境變化的反饋式路徑規劃思想是值得借鑒的。根據監測參數的不同，空中無線電監測的方法、最佳位置都不相同，因此本文嘗試設計一種新的空中無線電監測方法，在空中無線電監測中引入自動路徑規劃的思想，使路徑規劃原則與無線電監測直接相關，即根據前一階段監測分析的結果規劃下一階段無人機的飛行路徑，在飛行過程中連續監測，循環迭代監測結果修正航線，以期持續獲得最佳測量位置和測量值，滿足無線電精確測量的需要。

2008年開始進行空中無線電監測的探討，提出了空中無線電監測對無人機的要求，對無線電監測對飛行高度、續航時間以及控制方式等無人機研發急需解決的關鍵問題進行了分析。

2012年成都九華圓通公司利用無人直升機搭載無線電監測測向設備，實現了空中監測平台與地面監測設備構成的立體監測。提高了在複雜地理環境下的電磁環境監測能力。2014年西華大學研發出基於多旋翼機器人的空中無線電監測系統，採用比幅法測量輻射源方向，並採用交叉定位法獲得信號源位置，測向定位誤差為200米。隨後浙江省無線電監測站、寧波市無線電監測站、成都華日通信、上海創遠儀器分別實驗和製造了基於旋翼無人機的空中無線電監測系統，應用模式均採用多旋翼無人機裝載無線電監測設備，通過遙控方式普遍採用預先規劃軌道或實時地面操控。

2015年西華大學研發的用於無線電監測的空中智能機器人是國內首個應用自主路徑規劃的實用空中無線電監測系統，採用監測得到的場強分佈結果引導無人機自主路徑規劃，但沒有公開更多其自主路徑規劃性能指標。

國外空中無線電監測應用方面，除一個用於查找廣播天線系統故障的無人機頻譜監測應用外，其餘查到的空中無線電監測系統都用於軍事，雖然沒有公開說明其軍事應用的無人機監測系統操控方式，但從其能夠自動定位跟蹤目標等描述中猜測其無人機系統應該裝載有自主和人工兩種操控模式。

空中平台在國內現有的懸停監測或沿預設軌跡飛行監測方式中僅起到升空接收的作用，而依據測量任務和空中實時測量結果進行飛行軌跡規劃的無線電測量方式還剛起步，如何充分利用機動性、通視性等空中平台優勢獲得最佳測量時機和位置是當前研究的一個難點。

2 空中監測任務

無人空中無線電監測是指把監測設備裝載在無人空中平台進行的無線電監測方式。空中監測任務主要包括測量指定區域電磁頻譜環境、無線電信號參數，對信號源進行實時監測和測向定位，並依此生成區域電磁態勢。常見的可用於空中無線電監測的無人平台有固定翼、單旋翼、多旋翼無人機以及氣球、飛艇等。無人平台的選擇對完成快速、高精度無線電信號測量和測向任務具有決定性意義。多旋翼無人機是一種較為理想的空中測量平台，其操控簡便，可實現半自主式和全自主式控制，能夠完成懸停、小半徑直角轉向等飛行動作，既滿足空中飛行機動靈活的要求，也能夠提供空中監測設備的載荷需求。

影響空中無線電監測精度的主要因素是天線方向和監測距離，所以在監測過程中不斷優化二者才能獲得更精確的信號參數。空中無線電監測可劃分為三個階段：一是發現信號階段，此階段旋翼機在某預先設計的飛行軌跡升空飛行，實時測量空間頻譜，發現待測信號；二是定位信號源階段，發現目標后利用旋翼機載監測設備進行測向，通過初始測向結果判定「當前最佳測量位置」，在規定的測量時間內利用「當前最佳測量位置修正演算法」進行迭代運算，實時規劃測量路徑，尋找當前最佳測量位置；三是獲得最優測量參數，綜合信號場強、頻譜和信號源位置等參數生成區域電磁態勢。本文著重對發現信號后的第二階段旋翼機路徑規劃進行探討。

3 基於測量任務尋找最佳測量路徑

針對監測任務需要預先規劃多旋翼無人機飛行高度和預先飛行軌跡，根據地域的大小和地形地貌，確定旋翼機升空高度，根據監測區域地形地貌確定預先飛行軌跡。

在發現信號后，根據第一階段監測過程中測得的信號源方向，實時確定轉向角度，不斷迭代調整飛行方向，達到最佳監測效果。假設監測任務是獲取半徑120km區域內信號源的頻譜佔用度、場強分佈、位置等信息。

根據測量任務的描述，在未知輻射源分佈規律的前提下，需要測量節點針對某一個輻射源測量並逐次逼近，測量不同參數，需要的測量方法不同，例如測量電磁環境的場強分佈需要在盡量多的位置靜止地測出所在位置的場強值，這樣根據傳播模型預測出的電磁環境場強分佈才更加準確；而測量輻射源位置，則需要在運動中測量輻射源的方向，再根據測量的結果選擇適當的位置轉向適當的方向，逐步逼近輻射源所在位置的上空，以期獲得更準確的位置測量結果。

3.1多旋翼無人機飛行高度規劃

多旋翼無人機飛行與的邊界連線構成一個與地球相切的圓錐面，切線在地球表面圍成的測量範圍是一個球冠的上表面。

3.2 初始飛行方向規劃

交叉定位精度受監測節點運動方向與信號源方向夾角、測向精度、監測節點運動速度、監測定位時間等因素影響，信號源方向及其相反方向是測向交叉定位的盲區，空中平台的初始飛行方向首先要排除這兩個方向。

實際測量過程中，測向誤差會隨著測量節點與信號源的距離拉大而則增大，所以初始飛行方向信號源方向初值夾角小於90°，否則會因為距離增大而導致誤差增加，如圖1：

3.3 轉向位置和轉向角度規劃

多旋翼無人機的轉向位置和轉向方向由轉向前的所有測量結果迭代決定。轉向前的測量結果存在兩種情況：測量結果收斂、測量結果發散。如圖3-3，測向交叉定位的測量結果是一個四邊形模糊區域，在測向精度一定的情況下，四邊形面積縮小，即測量結果收斂，表示信號源定位的結果比較穩定，是可信的定位結果，說明當前運動方向是較好的測量位置和運動方向；測量結果發散，代表當前運動方向是較差的測量位置和運動方向，不能測得信號源位置。測量結果收斂時，繼續測量直到在這個飛行方向上達到理想的測量長度；測量結果發散時，立即停止這個方向上的測量，根據最後測得的信號源方向重新尋找初始飛行方向。

從圖3中陰影區域的構成能發現用來交匯的兩個方向夾角越小，模糊區域在垂直於飛行方向的方向上越延伸，夾角越大，模糊區域在飛行方向上越延伸，而且對於測向交叉定位來說，兩端測向結果相交的夾角要遠大於測向結果的模糊角，測向結果相交的模糊區域可以近似看作平行四邊形，多個高度相等的平行四邊形顯然邊長最小的矩形面積最小，因此當且僅當兩方向線相互正交時，模糊區域最小。所以發生轉向的位置應該是測向結果與測向初始值相互正交的位置。

其次，要判斷轉向角度，如圖4所示，當轉向角為向信號源方向90°時，隨著測量的進行，旋翼機會逐漸逼近信號源，同時解決了無線電測量和抵近信號源的問題，所以應取轉向方向為信號源方向90°。

綜上所述，基於任務的多旋翼無人機路徑規劃流程如圖5所示：

4 結 語

本文以充分利用旋翼無人機特性，提出了基於測量任務的路徑規劃方法，該方法將自動路徑規劃的思想與頻譜監測結合，對提高空中無線電監測的精確度有幫助，使空中無線電監測能夠適應更加複雜的動態測量環境，並減小頻譜監測無人機操作者的操作難度，使旋翼機能夠在最佳位置得到理想的測量結果。但本文提出的路徑規劃方法還只是一個初步構想，沒有進行實物或模擬實驗驗證，通過實驗驗證本文所提出的無人機路徑規劃方法也是本文主要後續工作。

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