[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

本發明公開了一種基于視線導引律的無人機路徑跟蹤與自主避障方法，包括：1）航跡跟蹤控制：無人機根據預先設計航路信息，完成航跡跟蹤控制；采用圓弧轉彎實現航點平滑切換，減小跟蹤誤差；增加高度跟蹤，實現無人機三維航跡跟蹤飛行；2）在線自主避障：對障礙物進行在線檢測與預估，將不規則障礙物的預警邊界利用一個或多個圓柱構成，利用圓心、半徑和高度對障礙物進行數學建模，簡化避障算法設計；無人機在飛行過程中實時檢測障礙物，在線自主生成避障臨時航路，無人機按照規避航路實現對障礙物的繞障飛行。本發明方法具有較好的控制性能，可任意跟蹤期望航路并完成在線自主障礙物規避，實現無人機的自主飛行。

技術領域

本發明涉及無人機路徑跟蹤和自主避障技術領域，特別是一種基于視線導引律的無人機路徑跟蹤與自主避障方法。

背景技術

無人機以其獨特的外形、結構及廣闊的應用前景，成為當前的研究熱點。自主飛行導航系統是無人機最重要的部分之一，直接決定了無人機的飛行性能。但由于無人機航路中環境的未知性、障礙物的存在等因素限制了無人機的自主飛行。在這種情況下，無人機導航控制系統需具備一定程度的路徑跟蹤與自主避障適應性。

因此設計一種簡單、高效、穩健的路徑跟蹤與自主避障方法，以降低系統的復雜度、增加系統的穩定性、提高導航飛行的精確性、獲得滿意的導航控制效果，顯得尤為重要。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的不足而提供一種基于視線導引律的無人機路徑跟蹤與自主避障方法，本發明方法具有較好的控制性能，簡單高效，可任意跟蹤期望航路并完成在線自主障礙物規避，實現無人機的自主飛行，提高導航飛行的精確性、獲得滿意的導航控制效果。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

根據本發明提出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，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。

作為本發明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進一步優化方案，步驟1中采用圓弧方法完成航路轉彎飛行。

作為本發明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進一步優化方案，步驟1中航跡跟蹤控制包括無人機直線段航路跟蹤控制和無人機圓弧跟蹤控制：

無人機直線段航路跟蹤控制所需的側向加速度a_sl表達式為：

其中，V是無人機地速，L₁為視線距離，表示無人機到目標航路上的參考點距離，d為側偏距，k_l為側偏距增益，η是無人機地速矢量與L₁矢量的夾角，其表達式為：

其中，為無人機地速矢量，為視線距離矢量；

無人機圓弧跟蹤控制所需的側向加速度a_sc表達式為：

其中k_p，k_d分別為比例、微分增益，R為圓弧段轉彎半徑，為側偏距的微分量；