[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

本發明公開了一種基于仿生的無人機群組實時路徑規劃方法：首先，獲取所有無人機的目標點位置，并根據自身攜帶的傳感器裝置獲取可探測范圍內的已知障礙物形成固態地圖信息；然后，從第一架開始采用基于吸引度函數‐排斥度函數計算該無人機下一幀的位置，并將該位置加入本幀的固態地圖中，作為后續規劃無人機在該幀的障礙物；接著，機群中下一架無人機根據更新的固態地圖規劃自身的路徑，以此類推直至最后一架。本發明方法提高了單機路徑規劃的自主性和實時性。

技術領域

本發明涉及一種無人機群實時航路規劃方法，特別是涉及一種基于生物集群行為仿生原理的無人機實時路徑規劃方法。

背景技術

無人機廣泛運用于公安、武警、消防、交通、海洋執法等各個領域。但無人機單機存在難以執行較大型任務、效率低下、攜帶能力差、抗毀性較差等缺點，因此對于軍事偵查、多角度勘測等需要無人機協同配合的應用場景，無人機群表現出了很大的優勢。

無人機群面臨的主要問題有：1)如何使機群個體在已知目標與障礙信息的條件下，依次安全到達目標位置2)在實現上述問題的前提下，如何盡量減小無人機數目增加所帶來的計算量與信息傳送量。時下較為熱門的長機僚機的控制方法為：在隊形中選擇一架無人機作為長機，剩下的無人機當作僚機，通過各架僚機對長機位置、方向的跟蹤實現整個組群隊形的控制。通常地面站先規劃好長機的航路，長機沿著航路飛行，其余的僚機根據隊形計算與長機的坐標偏移量，跟著長機飛行。這種控制方式的優點是整個組群航跡由主機控制，對僚機的控制實時性好且控制簡單，缺點是一旦主機出現故障，整個組群將不能正常飛行。同時各僚機均需與長機進行不斷的通信，通信壓力較大。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于仿生的無人機群組實時路徑規劃方法。

實現本發明目的的技術解決方案為：基于仿生的無人機群組實時路徑規劃方法，包括如下步驟：

基于仿生的無人機群組實時路徑規劃方法，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目標點，K_a為吸引度系數，R為無人機所處位置到目標點的距離，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為無人機吸引度最大影響距離，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障礙點集合；