[發明專利]一種基于視線導引律的無人機路徑跟蹤與自主避障方法

有效

• 申請號: 201910145863.0
• 申請日: 2019-02-27
• 公開（公告）號: CN109947123B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 郭劍東;王康;高艷輝;李志宇;王運澤;盛思佳
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學;南京長空科技有限公司;南京浦口高新技術產業開發區管理委員會
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 朱楨榮

1.一種基于視線導引律的無人機路徑跟蹤與自主避障方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、無人機按照設計航路跟蹤目標航路，實時進行航點更新判斷，完成航跡跟蹤控制；

步驟2、針對航點高度不同，加入高度跟蹤控制，實現三維路徑跟蹤；

步驟3、無人機自主避障方法：對障礙物進行在線建模，將不規則障礙物預警邊界利用一個或多個圓柱構成，通過圓心、半徑和高度對障礙物進行數學建模，簡化避障算法設計；無人機在路徑跟蹤飛行過程中實時進行障礙物檢測，當檢測到障礙物時，在線自主生成避障航路，無人機按照規避航路實現對障礙物的繞障飛行；

無人機自主避障方法具體包括如下步驟：

1)確定前視探測線長度R_L，其表達式為：

其中R_N為障礙物半徑，R_min無人機最小轉彎半徑，V無人機地速，τ₁為開始轉彎時無人機滾轉角到達最大滾轉角φ_max的時間；

2)判斷規避方向：無人機與障礙物圓心點的連線與無人機的飛行方向的夾角Δ的表達式為：

Δ＝ψ_N-ψ (2)

其中ψ_N為無人機與障礙物圓心點連線與正北方向的夾角，ψ為無人機的偏航角；當Δ＞0，表示無人機航路方向指向障礙物中心左側，無人機將沿障礙物左側規避飛行；當Δ＜0，表示無人機航路方向指向障礙物中心右側，無人機將沿障礙物右側規避飛行；

3)進入避障飛行模態：當前視探測線末端進入或觸及到障礙物時，即：

D_PN≤R_L+R_N (3)

其中D_PN為無人機到障礙物圓心的距離，無人機實時在線生成半徑為R_S圓形規避航路，進入避障飛行模態，實施規避機動飛行；

無人機進入避障飛行模態后，首先在圓形規避航路上選擇無人機參考點T，參考點在無人機前方L₁距離處；無人機與障礙物圓心點的連線OP與無人機與參考點的連線TP之間的夾角α的表達式為：

其中|OP|為無人機到障礙物圓心點的距離，無人機與障礙物圓心點的連線OP與正北方向的夾角ψ_N的表達式為：

其中O_E、O_N為障礙物圓心點坐標，P_E、P_N為無人機坐標；如果無人機沿右側規避障礙物，即Δ＜0，則ψ_a＝ψ_N+α；反之，ψ_a＝ψ_N-α，ψ_a為期望航跡角；則得到參考點T的坐標表達式為：

其中，T_N為參考點的北向分量，T_E為參考點的東向分量；

然后計算出視線導引律所需的角度η_a為：

4)搜索可達航點：在規避飛行過程中，不斷檢測期望航點是否可達，如果期望的航點與障礙物圓心點的距離小于規避航路半徑，則表示期望點被障礙物阻擋，不可到達，將繼續判斷期望航點的下一航點，直至檢測到有可達的航點；

5)退出避障飛行模態：當無人機搜索到可達航點后，不斷檢測是否達到退出避障飛行模態條件；當無人機與可達航點的連線與無人機與障礙物圓心點的連線的夾角Λ＞90°時，無人機退出避障飛行模態，直線飛向可達航點。

2.根據權利要求1所述的一種基于視線導引律的無人機路徑跟蹤與自主避障方法，其特征在于，步驟1中采用圓弧方法完成航路轉彎飛行。