[發明專利]一種基于預設航線的地表近距離自主探查無人機的三維避障方法

有效

• 申請號: 201810517890.1
• 申請日: 2018-05-25
• 公開（公告）號: CN109358637B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 馬婭婕;劉國慶;盧少武;張磊;胡軼;但峰;嚴保康;寧博文;周鳳星
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 崔友明;劉琰

1.一種基于預設航線的地表近距離自主探查無人機的三維避障方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟1、無人機進行地表近距離自主探查任務時，根據任務需求，選取人工勢場法作為避障算法；

步驟2、對無人機預設航線，并建立以預設航線中出發點到目標點方向上的坐標系；

步驟3、對人工勢場法進行改進并提出避障原則：引入線勢場，使無人機在有效規避障礙物后重新回到預設航線；對斥力勢場進行改進，使無人機自主逃離局部極小點；

步驟4、根據災后場景，搭建無人機執行任務的避障場景，并在避障場景中，將障礙物近似為球型，構建障礙物場景；

步驟5、在避障場景內，對無人機執行任務時的軌跡和速度進行三維仿真分析，驗證方法的可行性；

步驟2中建立坐標系的方法具體為：

根據預設航線，以出發點到目標點方向在大地平面投影為X軸方向，Y軸在大地平面與X軸垂直，Z軸方向與X軸、Y軸均垂直，且Z軸方向朝向大地平面上方；

步驟3中引入線勢場的方法具體為：

基于預設航線時，目標點變為目標線，點勢場變為線勢場，引力大小不變，方向變為指向預設航線；

當預設航線為直線時，引力為：

當預設航線為曲線時，單純的位置反饋控制無法消除曲線跟蹤的誤差，這里引進前饋和速度控制，引力為：

其中，為無人機所受引力，ρ_line(g)為無人機距離預設直線航線的距離，▽ρ(g)為無人機指向預設航線的單位矢量；ρ_curve(g)為無人機距離預設曲線航線的距離，v_X為無人機沿X軸方向的速度，ΔT為控制周期，ΔV_Y為預設軌跡和實際軌跡的Y向速度差，θ為速度差系數；q為無人機當前位置，ρ(g)為無人機距離目標點距離，ρ(q)為無人機距離障礙物表面距離，ρ₀為障礙物有效影響范圍，ξ為引力場系數，η為斥力場系數，▽ρ(q)是單位矢量，方向為斥力場方向；

步驟3中斥力場改進的方法具體為：

對斥力場進行改進，調整斥力方向為與垂直于航線方向，經過改進之后的人工勢場法能自主逃離局部最小點，局部最小點是無人機所受引力和斥力合力為零的點，在該點處，無人機有沿X軸的速度，下一周期，無人機X軸的位置發生變化，所受合力不再為零，即逃離局部最小點；斥力為：

其中，為無人機所受斥力，ρ(g)為無人機距離目標點距離，ρ(q)為無人機距離障礙物表面距離，ρ₀為障礙物有效影響范圍，η為斥力場系數，▽ρ(q)是單位矢量，方向為斥力場方向；

步驟3中無人機按照預設航跡進行飛行時采用的避障原則為：

設定一個避障閾值h，h為無人機定高最大穩定高度，如果無人機檢測到障礙物高度大于h，則繞過，若小于h，則從障礙物上方越過；將改進后的人工勢場法分別運用在無人機繞過Y軸方向或越過Z軸方向的避障上。

2.根據權利要求1所述的基于預設航線的地表近距離自主探查無人機的三維避障方法，其特征在于，步驟4中進行避障場景構建時采用的軟件為機械系統動力學自動分析軟件Adams。

3.根據權利要求1所述的基于預設航線的地表近距離自主探查無人機的三維避障方法，其特征在于，步驟5中進行三維仿真分析的方法具體為：

設置仿真參數并進行避障仿真及分析，無人機三維避障采用仿真控制周期為T，進行改進方法驗證以及結果的軌跡分析和無人機各向速度分析，驗證方法的可行性。