[發明專利]基于仿生的無人機群組實時路徑規劃方法

在審

• 申請號: 201710652188.1
• 申請日: 2017-08-02
• 公開（公告）號: CN107479572A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 魏博文;邵長旭;王茂森;周良
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G01C21/20
• 代理公司: 南京理工大學專利中心32203
• 代理人: 朱顯國

1.基于仿生的無人機群組實時路徑規劃方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1、設置虛擬點，虛擬點包括虛擬起始點、虛擬目標點和虛擬障礙點，點的坐標信息用空間三維坐標和時間表示；

步驟2、設置吸引度函數最大影響距離區間、排斥度函數最大影響距離區間、吸引度系數區間、排斥度系數區間和每一個時間幀的固定步長；

步驟3、對吸引度函數影響距離、排斥度函數影響距離、吸引度系數、排斥度系數的每個排列組合，利用吸引度-排斥度函數規劃無人機群組的路徑，路徑規劃的方法為：

步驟3.1、對第一個無人機分別計算吸引度和排斥度：

吸引度計算方法為：當無人機與虛擬目標點距離小于吸引度函數最大影響距離時：Q_at＝K_aR，否則Q_at＝K_aR_r0，式中，Q_at表示吸引度大小，吸引度方向由所在點指向虛擬目標點，K_a為吸引度系數，R為無人機所處位置到虛擬目標點的距離，R_r0為吸引度函數最大影響距離；

排斥度計算方法為：當無人機與虛擬障礙點距離小于排斥度函數最大影響距離時，否則Q_re＝0，式中，Q_re表示排斥度大小，排斥度方向由虛擬障礙點指向所在點，K_r為排斥度系數，r為無人機所處位置到虛擬障礙點的距離，若在以無人機所在位置為圓心的15°扇形范圍內有若干個障礙物，則取距離無人機最近的一個計算排斥度，其余的不再計入，R_a0為排斥度函數最大影響距離；

步驟3.2、對吸引度和排斥度矢量進行正交，確定無人機的運動方向；

步驟3.3、該無人機在確定的運動方向上運動一個時間幀的固定步長，得到下一時刻的位置坐標，并將該位置坐標加入下一待規劃無人機的虛擬障礙點集合；

步驟3.4、按照3.1-3.3方法，確定其余無人機下一時刻的位置坐標；

步驟3.5、重復步驟3.1-3.4，直至無人機群組到達虛擬目標點；

步驟3.6、對無人機群規劃的路徑進行修正，直至所有路徑不需要再次調整，得到無人機群組的規劃路徑；

步驟4、計算吸引度函數最大影響距離、排斥度函數最大影響距離、吸引度系數、排斥度系數每個組合下的規劃路徑的評價指標，選擇最優的組合；

步驟5、初始化實際的空間信息，包括無人機起始位置坐標、目標點坐標和障礙物坐標；

步驟6、利用最優的組合和吸引度-排斥度函數規劃無人機群組的路徑；

步驟7、延時固定時長T_s后，判斷當前時刻障礙物的坐標信息是否發生改變，若未改變，則按步驟6規劃的路徑繼續飛行；否則以當前無人機所處位置為起始點，原目標點保持不變，根據新的障礙物坐標信息重新規劃無人機群組的路徑。

2.根據權利要求1所述的基于仿生的無人機群組實時路徑規劃方法，步驟1所設虛擬障礙點的具體方法為：將實際障礙物中任意一個障礙物與其相鄰最近障礙物間距離為D_B，將所有障礙點的D_B求和并取均值記為設置任意一個虛擬障礙點與其相距最近虛擬障礙點的距離滿足

3.根據權利要求1所述的基于仿生的無人機群組實時路徑規劃方法，其特征在于，步驟3.6采用取中修正法修正路徑，具體方法為：

設路徑相鄰三點分別為A(X₁，Y₁，Z₁)、B(X₂，Y₂，Z₂)、C(X₃，Y₃，Z₃)，O為A、C中點，B′為B、0中點，α為轉角閾值，若∠CBA角度大于α，則用代替B，否則不修正3點坐標。

4.根據權利要求1所述的基于仿生的無人機群組實時路徑規劃方法，其特征在于，步驟4的評價指標包括總長度、危險度和平緩度，總長度為規劃路徑相鄰點距離的總和，危險度為規劃路徑每個點到所有障礙點的距離的倒數和，平緩度為規劃路徑所有相鄰3點角度的倒數和。

5.根據權利要求4所述的基于仿生的無人機群組實時路徑規劃方法，其特征在于，步驟4選擇最優組合的方法為：對總長度、危險度和平緩度歸一化后，計算規劃路徑的優劣度評分，評分最低的路徑對應的組合即為最優的組合，優劣度評分SC的計算公式為：

SC＝K₁S₁+K₂S₂+K₃S₃

式中，K₁、K₂、K₃分別為總長度、危險度和平緩度對應的權重，S₁為歸一化的總長度，即待評價路徑總長度除以最大路徑總長度，S₂為歸一化的危險度，即待評價路徑危險度除以最大路徑危險度，S₃為歸一化的平緩度，即待評價路徑平緩度除以最大路徑平緩度。