[發明專利]一種動態環境下無人機編隊飛行的協同航跡智能規劃方法

在審

• 申請號: 201410577358.0
• 申請日: 2014-10-24
• 公開（公告）號: CN104359473A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 甄子洋;郜晨;浦黃忠;鄭峰嬰;龔華軍;江駒
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G06N3/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

1.一種動態環境下無人機編隊飛行的協同航跡智能規劃方法，其特征在于：按照以下步驟實現：

步驟1，采用Voronoi圖將連續的飛行空間離散化為一系列的線段；然后利用蟻群算法為每一架無人機搜索到多條待選航跡，再根據最優協同時間決策原理選取每架無人機最終待飛航跡，并以此設定每一架無人機的飛行速度；預先為編隊飛行的無人機設計離線飛行時的協同航跡；

步驟2，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，在探測到突發威脅的時刻開始進行航跡重規劃處理，采用RRT算法快速繞過威脅回歸到預飛航跡上；

步驟3，為繞過威脅的無人機設計回歸編隊的航路，使該無人機與其他無人機重建協同性飛行狀態，完成無人機編隊的協同性重建。

2.根據權利要求1所述的一種動態環境下無人機編隊飛行的協同航跡智能規劃方法，其特征在于：所述步驟3的具體方法為：

步驟3.1，首先，確定協同性重建時刻，定義為每架無人機都繞過威脅的時刻，在實際實現時是通過每架無人機繞過威脅時給其他無人機發出信號來確定；

步驟3.2，然后，確定每架無人機的剩余預飛航跡長度；

步驟3.3，判斷通過單靠速度的調整能否實現協同性的重建即同時到達目的地，如果不能則需要有無人機進行盤旋等待，直到可以通過單靠速度的調整來實現協同性重建為止。

3.根據權利要求1所述的一種動態環境下無人機編隊飛行的協同航跡智能規劃方法，其特征在于：步驟1中通過以下方法構造Voronoi圖：

由連接兩相鄰威脅源的中心點線段的垂直平分線構成的一組多邊形，選取編隊內的每架無人機作為一個虛擬威脅點，并在靠近威脅區域邊界處適當選取幾個點作為虛擬威脅點；

步驟1中利用蟻群算法為每一架無人機搜索到多條待選航跡的具體方法為：

a.螞蟻起始位置的確定，把與無人機起始點相鄰的Voronoi圖頂點集合作為螞蟻起始位置的集合；

b.終止條件的確定，每只螞蟻進行路徑搜索的終止條件應該是到達目標節點集合；

c.多組解的產生，通過選擇合適的參數，取多次結果的并集，以得到不同的幾組解。

4.根據權利要求1所述的一種動態環境下無人機編隊飛行的協同航跡智能規劃方法，其特征在于：

步驟2中所述的采用RRT算法快速繞過威脅回歸到預飛航跡上的具體方法為：首先在任務區域內選定起始節點q_init作為樹的根節點，通過從根節點不斷的擴展出葉節點的方式構建隨機樹；首先以概率p_g選擇目標位置q_goal作為隨機目標點q_rand，或者以概率1-p_g在任務空間內隨機選擇一個隨機目標點q_rand；然后在當前的隨機樹的所有葉節點中選擇距離隨機目標點q_rand最近的葉節點，并稱之為臨近節點q_near；然后從q_near向q_rand的方向延伸一個步長的距離ε，得到一個新的節點q_new。在延伸過程中，判斷是否與已知的威脅區域有沖突，若無沖突接受該新節點q_new，并將其添加為隨機樹的節點；若q_new與威脅區域有沖突，說明該次擴展出的新節點不符合安全要求，則舍棄該新節點，并重新進行隨機目標點q_rand的選取。

5.根據權利要求1所述的一種動態環境下無人機編隊飛行的協同航跡智能規劃方法，其特征在于：通過以下方法完成無人機編隊的協同性重建：

設各無人機在進行協同性重建時到達目標所需的剩余時間為：

tri=[trimin,trimax]trimin=Lri/Vmaxtrimax=Lri/Vmin,i=1,2,...,NU]]>

式中，tr_i是第i架無人機在協同性重建時刻到達目標的時間范圍，簡稱為剩余時間，tr_i?min是集合tr_i中的最小值，即該無人機按照最大速度飛到目標點的時間，tr_i?max是集合tr_i中的最大值；L_ri是第i架無人機在協同性重建時刻距離目標點的航跡長度，簡稱為剩余長度；

其中增加無人機到達目標的時間的方法是：讓第i架無人機在遠離威脅點的航跡點處以固定的轉彎角速度ω做n_ri次圓周運動，每一圈增加的時間為

Δt=2πω]]>

其中，ω由下式得到

ω=g×nymaxVmax]]>

式中，n_ymax是最大法向過載，

因此協同性重建方案輸出信息包括協同性重建時刻、每架無人機以后時刻的飛行速度以及需要盤旋的無人機的盤旋圈數。