[發明專利]一種無人機的避障方法及其裝置

有效

• 申請號: 201310334960.7
• 申請日: 2013-08-02
• 公開（公告）號: CN103365299A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 祖偉;陳艷紅;常紅星;范國梁
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及航空科學技術領域，尤其涉及一種基于人類避障行為的無人機避障方法及其裝置。

背景技術

無人機已經成為當前各國投入大量人力和財力研發的作戰裝備，隨著戰場環境逐漸復雜和任務要求的提高，多無人機協同執行偵察任務的需求日益重要和普遍。本世紀70年代之后，國內外研究者們陸續提出了很多典型的無人機實時航路規劃方法，并取得了顯著的研究成果，但大多數方法都存在不符合實際需求的缺陷。

無人真實的飛行環境信息很難完全預知，經常會遇到未知的突發威脅或障礙，這時預先規劃的全局航路已不能滿足要求。即使沒有突發威脅出現，全局航路規劃方法也會由于需要離線預處理和對環境信息的高依賴性，而不適用于復雜時變的戰場環境，欠缺實用性。對應離線預處理的全局航路規劃方法的就是實時航路規劃方法，主要根據實時獲取的環境信息進行快速航路規劃，達到最小能耗實時避障的目的。學者們已經提出一些動態環境下實時航路規劃的方法和策略，主要分為兩類，一是基于已知環境信息規劃初始航路，在出現突發威脅障礙時局部調整初始航路，繞過威脅后重新回到預先規劃的航路上；另一種方法是在發現新威脅時從飛行器當前位置到目標位置之間完全重規劃一條新的航路。以上兩種方法雖然彌補了全局航路規劃缺乏應變能力的不足，但犧牲了解決問題的時間，不能滿足無人機航路重規劃安全快速的要求。

在無人飛行器航路規劃算法方面，國內外的學者已經進行了大量的研究工作，典型算法有圖搜索法、進化法、人工勢場法等，每一種算法都有自身的優勢和不足。圖搜索法包括Voronoi圖法、快速隨機搜索樹法、A*算法，這些方法可以快速在構造圖中搜索到航路，但其搜索的復雜度隨著地理空間維度的增加成幾何級數增長，不適用于復雜地形和實時計算；另外這些方法得到的航路由折線構成，不滿足無人飛行器的機動能力約束條件；進化算法可以滿足三維地形和飛行性能的約束要求，但是其迭代進化過程中存在盲目性，計算量很大，不滿足實時性要求，并且對機載或地面站處理器的性能要求較高；人工勢場法將目標和障礙物分別看做引力場源和斥力場源，無人機沿著引力和斥力的合力方向運動，可以得到平滑的飛行軌跡，該方法能夠用于實時控制，不足之處在于存在局部陷阱，解算出的航路容易出現抖動現象。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，借鑒人類躲避障礙物的機理，提出一種適合于無人機機載實時解算的航路規劃方法。人類避障行為具有幾點特征，特別適用于無人機實時航路規劃技術：(1)人類通過肉眼只能看到距離自己比較近的環境信息，正好符合無人機飛行過程中實時探測局部環境信息的實際情況；(2)沒有障礙物或距離障礙物較遠時，人類會保持朝向目標點的運動狀態；(3)人類在觀察到存在障礙物時，會在必要的范圍內采取避障行為，按照盡可能省時省力的原則調整自身運動狀態來避障，直至到達目標點。

人類避障行為不會受環境中障礙物數量多少的影響，會以局部探測信息作為依據，結合自身機動性能來實施避障，本發明以這些特征為出發點，提出快速有效的無人機實時航路規劃方法。

為此，本發明提出一種基于人類避障行為的無人機避障方法，其包括：

步驟1、實時探測并判斷無人機前進方向上是否存在障礙物及突發威脅；如果存在，轉向步驟2；否則轉向步驟5；

步驟2、如果存在障礙物或突發威脅，則建立所述障礙物或突發威脅所在的障礙區，并根據所述障礙區中離無人機最近的障礙邊建立避碰行為區；

步驟3、如果無人機進入所述避碰行為區，則根據所述最近的障礙邊計算避障速度矢量；所述避障速度矢量包括無人機避障速度以及避障航向；

步驟4、根據所計算得到的避障速度矢量，計算無人機前進的步長；

步驟5、如果沒有探測到任何的障礙物或者突發威脅，則根據目標位置計算目標引導速度矢量，并根據該目標引導速度矢量計算前進的步長；

步驟6、判斷是否到的目標，如果沒有到達，則轉步驟1；否則結束。

本發明還提出了一種基于人類避障行為的無人機避障裝置，其包括：

初始判斷模塊，其用于實時探測并判斷無人機前進方向上是否存在障礙物及突發威脅；如果存在，則轉向建立模塊；否則轉向第二步長計算模塊；

避障行為區建立模塊，其用于存在障礙物或突發威脅時，則建立所述障礙物或突發威脅所在的障礙區，并根據所述障礙區中離無人機最近的障礙邊建立避碰行為區；

避障速度矢量模塊，其用于如果無人機進入所述避碰行為區，則根據所述最近的障礙邊計算避障速度矢量；所述避障速度矢量包括無人機避障速度以及避障航向；