[發明專利]一種基于鴿子被動式避障飛行的無人機避障導引方法

有效

• 申請號: 201710546082.3
• 申請日: 2017-07-06
• 公開（公告）號: CN107272736B
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發明（設計）人: 段海濱;邱華鑫;羅琪楠;吳江
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

本發明是一種基于鴿子被動式避障飛行的無人機避障導引方法，其實現步驟為：步驟一：初始化；步驟二：感知并檢測障礙；步驟三：制定避障策略；步驟四：航向導引；步驟五：航向控制；步驟六：更新飛行狀態；步驟七：判斷是否結束仿真。該方法旨在提供一種在線的無人機避障導引方法，在提高無人機環境適應性的同時，降低無人機單機計算負載，從而有效提高復雜動態任務環境下的無人機自主能力水平。

技術領域

本發明涉及一種基于鴿子被動式避障飛行的無人機避障導引方法，屬于無人機控制領域。

背景技術

無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)是一種由自身程序控制或者由無線電遙控的，用來執行特定任務的無人駕駛飛行器，具備機動性強、風險性低、成本較低、可靠性高、適應性強、應用領域廣等特質。

由于無人機任務環境往往動態復雜，包含大量不確定、不完全的信息，為提高無人機飛行安全，避障系統開始被廣泛運用在無人機上。機上避障系統除依賴傳感器技術、圖像處理技術獲得任務區域內最新的環境信息外，還需要無人機避障導引方法幫助機組人員或作戰任務規劃人員為執行任務的無人機選擇具有最低損耗危險通過任務區域的航路，因此設計合理高效的無人機避障導引方法至關重要。本發明旨在通過設計一種無人機避障導引方法，提高無人機環境適應性等自主能力，使其可以較低的載荷配置高效完成相對復雜的任務。

目前，常見的無人機避障導引方法主要包括基于采樣法、基于節點法、基于數學模型法以及進化算法等。其中，基于采樣法包括Voronoi圖法、概率路標圖法、快速擴展隨機樹法、人工勢場法等，均需要預先獲知任務區域內的完整障礙信息，無法適應復雜動態的任務環境。基于節點法包括Dijsktra算法、A*算法等，均是基于柵格地圖進行啟發式搜索，而為生成精確的可行導引航跡，柵格劃分應盡可能小，且考慮的鄰域應盡可能大，但單機計算負載也隨之增大，算法收斂時間也隨之變長。基于數學模型法是通過分段線性化和整數規劃方法將無人機避障導引問題轉化成一個規范的數學問題，進化算法是將無人機避障導引問題轉化成一個在約束條件下尋找最優解的組合優化問題，由于二者的計算復雜度過大，因此不適用于在線無人機避障導引。本發明針對現有無人機避障導引方法在環境適應性、收斂時間以及計算復雜度等方面的不足，基于鴿子被動式避障飛行設計了一種在線的無人機避障導引方法。

在自然環境中移動的動物往往需要避開活動路徑上的障礙，當其以較高的速度運動時，避障變得十分困難，但自然界中的鴿子進化出了相應的避障能力以實現安全飛行。鴿子避障飛行不是預先規劃好的，而是一種被動的反應。鴿子在感知到障礙物后，會立刻調整飛行方向，其往往傾向于盡可能穿過障礙之間最寬敞的空隙，而不是以最小化路程為原則調整飛行方向。鑒于鴿子避障飛行中所體現的被動式、快速性和簡單性等特點與無人機避障導引中的環境適應性、收斂時間和計算復雜度等要求有著緊密的契合之處，本發明提出了一種基于鴿子被動式避障飛行的無人機避障導引方法，以解決現有無人機避障導引方法在自主能力以及單機負載上的不足，有效提高無人機自主控制水平。

發明內容

1、發明目的：

本發明提供了一種基于鴿子被動式避障飛行的無人機避障導引方法，其目的是提供一種在線的無人機避障導引方法，旨在提高無人機環境適應性的同時，降低無人機單機計算負載，從而有效提高復雜動態任務環境下的無人機自主能力水平。

2、技術方案：

本發明針對無人機避障導引問題，開發了一種基于鴿子被動式避障飛行的無人機避障導引方法，該方法的框架如圖1所示，具體實現步驟如下：

步驟一：初始化

隨機生成無人機在初始時刻的二維空間位置(X,Y)、飛行速度V、航向角ψ；隨機生成二維空間內的n個圓形障礙，每個障礙的圓心坐標為(x_i,y_i)，半徑均為r，其中i＝1,2,...,n為障礙的編號；設定仿真時間t＝1。