[發明專利]一種仿鴿群應急避障機制的集群超機動避障方法

有效

• 申請號: 201910315523.8
• 申請日: 2019-04-19
• 公開（公告）號: CN110069075B
• 公開（公告）日: 2020-06-09
• 發明（設計）人: 李佳怡;朱俊;袁尚武;王澤源;宋雯琪;曹世岳;鮑宇翔;勞姍姍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種仿鴿群應急避障機制的集群超機動避障方法，其特征在于：該方法的具體步驟如下：

步驟一：參數初始化

確定無人機集群總架數N，目標位置(X_g,Y_g)，忽略高度坐標，在一定二維空間中隨機生成每架無人機i(i＝1,2,3...N)初始時刻的二維空間位置(X_i,Y_i)(X_iX_g,Y_iY_g)，飛行速度V_i，航向角無人機的最大感知距離R_max、最大感知角度α_max，無人機航向控制器參數τ、K_P、K_I、K_D、K_S，地圖與指南針因子P₁，無人機速度因子P₂，評價函數權重系數w₁、w₂；忽略高度坐標，在一定二維空間中隨機生成n個圓形障礙，每個障礙j(j＝1,2,3...n)的圓心坐標(x_j,y_j)(x_j≤X_g,y_j≤Y_g)，半徑r(rR_max)，計算機運行時間T；

步驟二：確定當前時刻無人機集群領隊策略

設置評價函數h，計算當前時刻每架無人機的評價函數值，根據排序將評價函數值最小的無人機作為當前時刻的頭機，其余無人機作為僚機即跟隨鴿；

其中，為無人機i(i＝1,2,3...N)到目標位置的距離，M_i為無人機i(i＝1,2,3...N)在感知范圍內探測到的障礙物數量；

步驟三：計算無人機集群的鴿群編隊保持信息

每架無人機按照鴿群保持機制，根據指定速度、位置函數更新相應速度、位置并存儲，頭機向目標位置導航，僚機跟隨頭機進行導航信息更新；

其中，P₁為地圖指南因子，P₂為無人機速度因子，均根據具體需要設定數值，rand()為0到1之間的隨機數，

步驟四：無人機集群類鴿群障礙感知

每架無人機同單只鴿子視覺注意區域一樣，其視覺注意區域為以無人機i所在位置(X_i，Y_i)為頂點，R_max為半徑，2α_max為圓心角的扇形，且頂點到弧線中點的方向與無人機航向角β_i一致；

判斷每架無人機i(i＝1,2,3...N)的視覺注意區域內是否有固定障礙物，即當固定障礙物j到無人機i的連線與無人機航向間的夾角小于α_max且無人機i與固定障礙物j之間的距離小于等于R_max時，無人機感知到固定障礙物j，并進行障礙物位置標記；

判斷每架無人機i(i＝1,2,3...N)的視覺注意區域內是否有其他無人機，即當無人機i與其他無人機的連線與無人機航向間的夾角小于α_max且無人機i與其他無人機之間的距離小于等于R_max時，無人機在視覺注意區域內感知到其他無人機，并進行標記；若無人機i(i＝1,2,3...N)即沒有感知到固定障礙物，又沒有感知到其他無人機，則跳轉至步驟二；

步驟五：分析對其他無人機的障礙感知策略

將無人機i(i＝1,2,3...N)視覺注意區域內標記過的其他無人機的速度大小與無人機i(i＝1,2,3...N)的速度大小的比稱作速度比率，設定速度比率閾值t(t1)，若速度比率大于速度比率閾值，則二次標記該無人機i(i＝1,2,3...N)視覺注意區域內標記過的其他無人機坐標；

步驟六：確定無人機集群的仿鴿群應急避障策略

確定無人機i(i＝1,2,3...N)相應的鴿群應急避障策略，即根據檢測到的障礙間隙而求解對一次標記過的固定障礙物的避障角γ_ij(j＝1,2,3...n)和對二次標記過的無人機的避障角γ_ik；

其中，α_j為障礙角坐標,β_k為被二次標記過的第k個無人機的航向角坐標，Q_ik為被二次標記過的第k個無人機到無人機i(i＝1,2,3...N)的距離；

步驟七：計算無人機集群的仿鴿群應急避障響應

計算無人機i(i＝1,2,3...N)的鴿群應急避障響應α_i，exp(i＝1,2,3...N)，即將無人機i(i＝1,2,3...N)對準障礙之間的最大縫隙處；

α_i，exp＝∑(α_j+γ_ij+β_k+γ_ik) (8)

步驟八：計算下一時刻無人機集群航向角

使用無人機航向控制器來執行無人機i(i＝1,2,3...N)的應急避障，即計算出下一時刻應執行的航向角β_i(i＝1,2,3...N)；

其中，誤差α_i,error＝β_i-α_i,exp，τ為視覺感知傳感器時延，K_p為無人機航向比例控制增益，K_i為積分控制增益，K_D為微分控制增益，K_S為慣性穩定控制增益；

步驟九：更新無人機集群下一時刻二維空間位置

通過步驟八計算得出的航向角β_i(i＝1,2,3...N)來更新無人機i(i＝1,2,3...N)的實時二維空間位置(X_i,Y_i)；

步驟十：儲存并輸出無人機集群位置信息

在步驟一所設定的二維空間存儲無人機集群每一時刻的位置信息，同時判斷是否為最后時刻的位置信息，若是最后時刻則結束計算并輸出無人機集群飛行軌跡，否則轉至步驟二。