[發明專利]一種基于改進RRT算法與改進PH曲線相結合的多無人機協同航跡規劃方法

有效

• 申請號: 201710691678.2
• 申請日: 2017-08-14
• 公開（公告）號: CN107608372B
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: 楊力;羅曉曙;丘森輝
• 申請（專利權）人: 廣西師范大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 劉梅芳

1.一種基于改進RRT算法與改進PH曲線相結合的多無人機協同航跡規劃方法，其特征是，包括如下步驟：

1)環境建模：假設無人機進行等高飛行，結合無人機飛行中自然威脅分布構建環境模型，自然威脅主要是山川地形威脅；

2)規劃單機航跡集：首先根據起始點和終止點，運用改進PH曲線算法，得到6個控制點，分別為b₀,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅；然后選取規劃得到的6個控制點中的b₂和b₃作為新起始點和新終止點，并在新起始點和新終止點之間多次運用改進RRT算法規劃得到單機航跡集，過程為：

2-1)根據任務要求的起始點和終止點，運用改進PH曲線算法，得到6個控制點，分別為b₀,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅，具體為：

PH曲線貝塞爾(Bezier)形式的多項式為

路徑r(q)的一階導數為

采用艾米特(Hermite)插值法，確定基準路徑的形狀，起始點和終止點分別為(x_s,y_s)和(x_f,y_f)，Bezier曲線的6個控制點b₀,b₁,b₂,b₃,b₄,b₅為

其中：φ_s表示起始點方位角，φ_R表示無人機轉彎角，φ_f表示終止點方位角，常數m₀∈[1,+∞]，常數m₃∈[1,+∞]，常數m₅∈[1,+∞]；

2-2)選取步驟2-1)得到的6個控制點中的b₂和b₃作為新的起始點和新的終止點，并在新的起始點和新的終止點之間運用改進RRT算法規劃得到單無人機的航跡集，由于RRT算法具有隨機性，所以三次運用改進RRT算法得到三條航跡集，并將三條單無人機航跡作為一個單無人機航跡集，具體為：

設置隨機搜索空間的航路代價值如公式(5)所示：

J_L＝K*[(A+B)/C]² (5)

其中：K為常數，A為起點到路徑點的距離，B為目標點到路徑點的距離，C為起點到目標點的距離；

設置隨機搜索空間威脅代價值如公式(6)所示：

J_T＝K/(D-d)² (6)

其中：K為常數，D為路徑上點到障礙物距離，d為絕對殺傷區的距離；

設置隨機點的適應度值如公式(7)所示：

P_ij＝1/(λ₁*J_L+λ₂+J_T) (7)

其中：P_ij表示點(i，j)的適應度值，λ₁、λ₂分別表示J_L和J_T的權重系數；

使用輪盤賭算法優先拓展概率大即適應度值高的隨機點，個體被選中的概率與其適應度函數值成正比，群體全部個體的適當度值由一張輪盤來代表，設群體大小為n即有n個點，每個點代表群體中的一個群員，個體i的適應度為F_i，則個體i被選中的概率如公式(8)所示：

2-3)航跡平滑處理：采用平滑算法與滑窗濾波相結合的形式對單無人機航跡進行航跡平滑處理，首先運用平滑算法，從起始點開始，每三個航跡點考慮一次最小轉彎半徑約束，如果不滿足約束條件，即單無人機最小轉彎半徑，則刪除三個航跡點的中間節點，插入滿足約束的臨界節點，接著采用滑動平均法濾波，濾波法是指通過對各航跡節點進行濾波處理，削弱波動性，滑動平均是對一定長度移動窗口的數據進行加權平均，設第k個航跡點為v(k)，對其前后各i個點加權平均得u(k)：

其中，w為常數是窗口寬度，w(j)是窗口加權函數；

3)規劃多機協同航跡：根據多無人機協同航跡規劃原理以及多無人機協同航跡規劃的代價函數，在規劃航跡集中選取一條符合多無人機協同規劃原理以及航跡代價函數的最小航跡。