[發明專利]一種基于雙旋Lyapunov矢量場的無人飛行器避障方法

有效

• 申請號: 201710997132.X
• 申請日: 2017-10-20
• 公開（公告）號: CN107643764B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 張毅;孟啟源;楊秀霞;崔嘉;華偉;羅超;曹唯一
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍航空大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 中國人民解放軍海軍專利服務中心 11044
• 代理人: 劉書巖;宋濤

1.一種基于雙旋Lyapunov矢量場的無人飛行器避障方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1，確定無人飛行器飛行約束條件并構建障礙物安全圓；

設無人飛行器飛行速度V₀大小不變，初始飛行方向指向目標點G；根據無人飛行器的最小轉彎半徑為R₀和無人飛行器避障所需安全距離R_uav，將障礙物的外接圓膨化后得到半徑為R_safe的障礙物安全圓；

步驟S2，通過障礙物安全圓進行避障判定；

當障礙物為靜態障礙時，如果R_tect·sin(θ)＜R_safe則需要進行避障，進入步驟S3；否則不需要進行避障，無人飛行器繼續按照當前飛行方向飛行；其中R_tect為無人飛行器和障礙物的連線矢量的2范數，θ為速度V₀和的夾角；

當障礙物為動態障礙時，根據t_d時刻探測到障礙時無人飛行器的飛行速度，預測無人飛行器再飛行Δt時間后是否會碰撞進行避障判定；即如果使得t_d+Δt時刻無人飛行器和障礙物的距離＜R_safe，則需要進行避障，進入步驟S3；否則不需要進行避障，無人飛行器按照當前飛行方向繼續飛行；

步驟S3，確定最優避障方向和矢量場旋轉方向并進行避障；

當障礙物為靜態障礙時，最優避障方向為無人飛行器和目標點的連線矢量旋轉到矢量的旋轉方向，其中為無人飛行器和T_n點的連線矢量，T_n點為和垂直且過障礙物安全圓圓心的直線與障礙物安全圓交點中距離無人飛行器較近的交點；

以R_safe作為期望的跟蹤半徑，將最優避障方向的反方向作為Lyapunov矢量場旋轉方向，并在該矢量場的引導下進行避障機動。

2.如權利要求1所述的一種基于雙旋Lyapunov矢量場的無人飛行器避障方法，其特征在于，步驟S1中的R_safe為：R_safe＝max{R₀,R_obs+R_uav}，其中R_obs為障礙物的外接圓半徑。

3.如權利要求1或2所述的一種基于雙旋Lyapunov矢量場的無人飛行器避障方法，其特征在于，該方法還包括以下步驟：

步驟S4，判定是否成功避障；

在飛行過程中，若無人飛行器沒有侵犯障礙物安全圓，且存在某時刻t_s，使得該時刻無人飛行器和障礙物的連線矢量與矢量的位置關系則判定成功避障，停止避障機動，向目標點G飛行；否則，繼續利用步驟S3進行避障機動。

4.如權利要求3所述的一種基于雙旋Lyapunov矢量場的無人飛行器避障方法，其特征在于，當障礙物為動態障礙時，先將動態避障轉化為無人飛行器在障礙物的相對速度坐標系下靜態避障問題，然后再利用步驟S3的方法進行避障。

5.如權利要求3所述的一種基于雙旋Lyapunov矢量場的無人飛行器避障方法，其特征在于，步驟S3中最優避障方向的角度

6.如權利要求3所述的一種基于雙旋Lyapunov矢量場的無人飛行器避障方法，其特征在于，當存在兩個靜態障礙物，且二者之間存在一定距離，但二者的障礙物安全圓相交時，以同時包絡前述兩個靜態障礙物的障礙物安全圓作為步驟S2中的障礙物安全圓進行避障判定。

7.如權利要求4所述的一種基于雙旋Lyapunov矢量場的無人飛行器避障方法，其特征在于，當時，將障礙物定義為微小障礙，如果存在多個微小障礙物，以同時包絡前述多個微小障礙物的障礙物安全圓作為步驟S2中的障礙物安全圓進行避障判定，其中R_obs為障礙物的外接圓半徑。