[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

本發明公開一種仿鴿群應急避障機制的集群超機動避障方法，步驟如下：一、參數初始化；二、確定當前時刻無人機集群領隊策略；三、計算無人機集群的鴿群編隊保持信息；四、無人機集群類鴿群障礙感知；五、分析對其他無人機的障礙感知策略；六、確定無人機集群的仿鴿群應急避障策略；七、計算無人機集群的仿鴿群應急避障響應；八、計算下一時刻無人機集群航向角；九、更新無人機集群下一時刻二維空間位置；十、儲存并輸出無人機集群位置信息。本發明增強了單架無人機系統所需提高的監視范圍、角度、工作效率、抗干擾性；有效降低了單機計算負載，除此之外，本發明提高了無人機對于復雜動態任務環境下的近距離緊急避障的適應性。

技術領域

本發明是一種仿鴿群應急避障機制的集群超機動避障方法，屬于無人機控制技術領域。

背景技術

隨著計算機通信與網絡技術、無人機技術等的迅速發展，無人機在軍用民用等領域的應用越來越廣泛，無人機集群以高效的信息共享能力、低成本、分布式集群智慧以及高度的可靠性等優勢成為無人機發展的必然趨勢。自2005起，美國國防部發布《無人機系統路線圖2005—2030》，將無人機自主控制等級分為1～10級，包括單機自主、多機自主、集群自主(分布式控制、群組戰略目標、全自主集群)3個層面，并指出“全自主集群”是無人機自主控制的最高等級，預計2025年后無人機將具備全自主集群能力。與單架無人機進行任務相比，無人機集群是大量自驅動系統的集體運動，集群內的無人機之間通過信息交互實現智能化，并具備一定程度的共識自主性。在復雜多變的環境下，無人機集群能解決在執行中繼通信、情報偵察、戰場監控、電子對抗、目標打擊等軍事任務中，單架無人機所面臨的監視范圍窄、角度小、殺傷半徑小、工作效率低、自愈能力弱、抗干擾性差等多方面的問題，對整體無人機系統作戰效能有著大幅度的提高。

在現有的無人機技術中，具體完成現實場景下復雜的指定任務時，無人機集群除控制好自身的隊形之外，常常還會遇到復雜的不安全環境因子，因此在無人機集群飛行過程中，避障問題是現代無人機技術的關鍵問題之一。無人機集群的避障分為無人機機群之間的避障、集群對大型靜態障礙物的避障與集群對突發的小型障礙物的應急避障。無人機集群在規劃好的指定航線上面對突然出現的障礙物所進行的反應避障能力就是無人機集群的應急避障能力。本發明所提出的集群超機動避障方法是一種集群編隊實時應急避障方法。

一般來說，無人機集群飛行路徑中對沒有事先考慮在內的突發障礙物要在感知到障礙物后，實行避障策略脫離原定航跡，確定避開障礙物之后再恢復自身隊形，繼續沿原定航線飛行。傳統的應急避障方法主要可以分類為基于節點法、基于采樣法、基于數學模型法以及進化算法等。在基于節點法中，主要包括A*算法、Dijsktra算法等，均是基于柵格地圖進行啟發式搜索，然而為了導航航跡的精確性，需要將柵格劃分應盡可能得小且相應鄰域盡可能得大，隨之而來會造成單機計算負載增大，運算反應時間變長等問題；在基于采樣法中，主要包括快速擴展隨機樹法、Voronoi圖法、概率路標圖法、人工勢場法等，均需要提前獲知任務區域內的已有的、完整的障礙信息，在復雜多變的動態任務環境中適應性低；基于數學模型法通過分段線性化和整數規劃方法將無人機應急避障問題轉化成一個規范的數學模型，進化算法則是將無人機應急避障問題轉化成一個在約束條件下尋找最優解的組合優化問題，然而二者相應的計算復雜度過大，在線上無人機實時應急避障當中沒有實際應用價值。上述方法分別在復雜環境、運算反應時間與算法復雜度上各有優勢，然而當結合起來，缺乏一個很好的綜合應用價值，本發明仿鴿群應急避障機制設計的集群超機動避障方法在環境適應性、收斂時間以及計算復雜度等方面的問題上進行相應的改進與提高。