طراحي مسير پرواز بهينه هواپيماهاي بدون سرنشين در حضور عوارض زميني و مناطق تهديد

Designing Optimal Trajectory in presence of Terrain and Threat for Unmanned Aerial Vehicles

در اين مقاله مسير پرواز بهينه براي هدايت هواپيما‌ي بدون سرنشين كه از موقعيت شروع تا موقعيت هدف در فضاي سه‌بعدي با ارتفاع پايين پرواز مي‌كند، طراحي شده است. با تعريف تابع هزينه‌اي مركب از زمان پرواز، ارتفاع عوارض و مدل مناطق تهديد و استفاده از روش‌هاي حل مبتني‌ بر كنترل بهينه، مسيري بهينه طراحي مي‌شود، كه با عدم برخورد با عوارض زميني و عدم‌عبور از مناطق تهديد، پروازي ايمن را فراهم مي‌نمايد. اين مسير پرواز در قالب مجموعه معادلات ديفرانسيلي ارايه مي‌شوند كه حل زمان واقعي آن‌ها منجر به ارتفاع و زاويه‌ي سمت فرمان براي خلبان‌خودكار خواهد شد. علاوه‌ بر اين، با استفاده از سطوح اسپيلاين، داده‌هاي گسسته‌ عوارض زمين ميان‌يابي‌ شده كه منجر به كاهش حجم داده‌هاي مورد نياز از ارتفاع عوارض زمين و هم‌چنين همواري مسير پرواز مي‌شود. براي ارزيابي الگوريتم ارايه‌ شده، از نقشه‌هاي عوارض زمين در بخشي از ارتفاعات زاگرس استفاده شده و نتايج شبيه‌سازي براي دو حالت سرعت ثابت و انرژي ثابت ارايه شده است. اين نتايج، كارآمدي الگوريتم را در مواجه با يك ماموريت واقعي نمايش مي‌دهند. در حالت سرعت ثابت مي‌توان قيد حداكثر نرخ زواياي سمت و مسير پرواز را به طور ضمني تنظيم كرد. در حالي‌كه، در حالت انرژي ثابت علاوه بر تنظيم اين قيدها، مي‌توان قيد سرعت و حداكثر ارتفاع پرواز را نيز به راحتي برآورده كرد.

In this paper an optimal control-based approach is proposed for designing three-dimensional trajectory for unmanned aerial vehicles (UAV’s). In this approach, by defining a cost function, based on the flight time and the avoiding terrain and threat objectives, the safe trajectory is planned so that UAV avoids obstacles and threatened zone, as an optimal procedure. Besides, digital elevation map (DEM) is interpolated by using spline surfaces. This leads to reduction of digital data and further smoothing the trajectory. The algorithm is presented in terms of constant speed and energy assumptions. For constant speed situation, the heading and flight path angle rate constraints is satisfied implicitly. In contrast with constant speed assumption, constant energy assumption beside the mentioned constraints leads to satisfying speed and altitude limitations. Finally, this approach is recommended for trajectory planning of autonomous vehicles in presence of threatened zones.