[發明專利]基于改進雙向快速擴展隨機樹算法的無人機路徑優化方法

有效

• 申請號: 201810399683.0
• 申請日: 2018-04-28
• 公開（公告）號: CN108681787B
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 沈志遠;趙帥;盧朝陽
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06N20/00;G01C21/20
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 姜慧勤

1.基于改進雙向快速擴展隨機樹算法的無人機路徑優化方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，考慮無人機自身的飛行性能約束，建立無人機動力學約束模型，同時確定無人機在二維空間內的起始點和目標點；

所述無人機動力學約束模型為：

其中，x,y分別表示無人機在慣性坐標系中的橫,縱坐標，v為無人機的速度，ψ為無人機的航向角，R_min為無人機的最小轉彎半徑，u∈{-1,0,1}，為無人機的轉彎角，為最大轉彎角，Path為無人機的規劃航跡長度，M為最大航跡長度；

步驟2，分別從起始點和目標點開始，基于改進雙向快速擴展隨機樹算法擴展對應的兩個隨機樹節點，且在擴展時基于后向扇形區域采樣方法對節點進行采樣；具體方法為：從起始點x_init開始，擴展隨機樹T₁，當隨機樹T₁進行第n個節點的擴展時，依據已經擴展好的第n-2、n-1個節點，以第n-2個節點為端點形成一條射線，該射線經過第n-1個節點，以第n-1個節點為圓心、兩倍的最大轉彎角為圓心角、最小航跡段長度為弦長形成后向扇形區域，且該后向扇形區域被射線劃分為兩個對稱的扇形，n為大于等于3的正整數，基于改進雙向快速擴展隨機樹算法生成采樣點，判斷該采樣點是否位于上述形成的后向扇形區域內；

若采樣點位于后向扇形區域內，則第n個節點表示為：

若采樣點不位于后向扇形區域內，則第n個節點表示為：

其中，x_n表示第n個節點，x_n-1表示已經擴展好的第n-1個節點，μ為步長，x_采樣點表示基于改進雙向快速擴展隨機樹算法生成的采樣點，ξ為隨機變量，ξ∈[-1,1]；

從目標點x_goal開始，擴展隨機樹T₂的方法與起始點相同；

步驟3，基于動態自適應步長方法，根據節點在擴展過程中距離障礙物的遠近動態調整步長；

步驟4，根據步驟2和步驟3對隨機樹T₁、T₂進行擴展，直至隨機樹T₁、T₂相遇，當隨機樹T₁、T₂相遇后，連接起始點、隨機數T₁的節點、隨機樹T₂的節點、目標點，生成最終的無人機規劃路徑。

2.根據權利要求1所述基于改進雙向快速擴展隨機樹算法的無人機路徑優化方法，其特征在于，所述步驟3的具體方法為：

對于隨機樹T₁，調整步驟2擴展的第n個節點與第n-1個節點之間的步長，以第n-1個節點為圓心、兩倍的最大轉彎角為圓心角、最小航跡段長度為弦長形成后向扇形區域，該后向扇形區域被以第n-1個節點為端點的射線劃分為兩個對稱的扇形，檢測該后向扇形區域內是否有障礙物，若存在障礙物，則根據下式調整步長：μ_min≤μ′≤μ_max；若不存在障礙物，則μ′＝μ_max；其中，μ′表示調整后的步長，D表示距離第n個節點最近障礙物的距離，K為常數，μ_min、μ_max分別為最小、最大步長；

對于隨機樹T₂的步長調整與隨機樹T₁相同。

3.根據權利要求1所述基于改進雙向快速擴展隨機樹算法的無人機路徑優化方法，其特征在于，步驟4所述隨機樹T₁、T₂相遇的判斷條件為：

|x_init-x_goal|≤L

其中，x_init表示起始點，x_goal表示目標點，L為最小航跡段長度。

4.根據權利要求1所述基于改進雙向快速擴展隨機樹算法的無人機路徑優化方法，其特征在于，所述最大轉彎角為60°。