[發明專利]連續障礙環境下無人機實時避障控制方法

有效

• 申請號: 201910629430.2
• 申請日: 2019-07-12
• 公開（公告）號: CN110262555B
• 公開（公告）日: 2021-03-16
• 發明（設計）人: 張樂;袁鎖中;黃永康
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 曹蕓

本發明涉及一種連續障礙環境下無人機實時避障控制方法，屬于無人機空中避障技術領域。該方法首先利用空間位置關系和無人機的運動學方程建立起無人機避障系統數學模型，進而利用多冪次滑模趨近律快速收斂的特性設計了無人機避障制導律；同時考慮到傳感器誤差和系統建模等造成的不確定性，引入了超螺旋干擾觀測器對系統中的不確定性進行估計并加以補償。本方法能夠使無人機準確實時地避開連續障礙，不會造成無人機的過度機動，并且對傳感器誤差造成的系統不確定性有較強的魯棒性。

技術領域

本發明涉及一種連續障礙環境下無人機實時避障控制方法，屬于無人機空中避障技術領域。

技術背景

近來，小型固定翼無人機在軍用和民用領域展現出巨大潛力，由于其較于旋翼無人機擁有更快的速度和優秀的續航能力，已經廣泛應用于各種領域，如偵察、監視、目標獲取等。然而目前小型固定翼無人機在面對建筑物、隧道等連續障礙時，仍不能快速安全地通過上述復雜地形。其中的主要的難點在于連續障礙的大小形狀在無人機飛行前可能并不明確，無人機飛行速度快的特點對控制律的設計提出更高的實時性要求。

目前國內外有很多學者對無人機避障的先進控制策略進行了研究，但絕大部分的研究都把重點放在了障礙物檢測以及路徑規劃上，并未考慮固定翼無人機運動學約束和障礙物大小超出傳感器探測范圍的情況。

針對以上存在的問題，需要研究出一種新型無人機城市實時避障飛行控制方法。

發明內容

為了克服現有的無人機避障方法應對實時突發連續性障礙能力不足，本發明提出了一種連續障礙環境下無人機實時避障控制方法，采用了多冪次滑模趨近律設計無人機避障制導律，同時利用干擾觀測器對傳感器的誤差進行補償，實現無人機對連續性障礙的實時避障功能，并且不會造成無人機的過度機動問題。

本發明為解決其技術問題采用如下技術方案：

一種連續障礙環境下無人機實時避障控制方法，包括以下步驟：

(1)通過無人機機身傳感器測量障礙物的距離和障礙物表面曲率；

(2)利用傳感器與無人機之間的幾何位置關系闡述出無人機滾轉角與障礙距離之間的數學關系；

(3)采用多冪次滑模趨近律設計無人機的避障制導律；

(4)引入超螺旋方法處理傳感器的噪聲問題。

步驟(1)所述無人機機身傳感器是在無人機機體軸X軸方向兩側安裝位置固定的傳感器。

所述傳感器為激光傳感器和圖像傳感器。

步驟(2)所述無人機滾轉角與障礙距離之間的數學關系是通過無人機與障礙物之間距離ρ和傳感器安裝角度η的微分表達式，并利用傳感器安裝角度固定的條件。

步驟(4)采用超螺旋擾動觀測器對傳感器噪聲進行補償。

本發明的有益效果如下：

(1)本發明采用的傳感器是機載傳感器，僅測量相對固定角度處的障礙距離和障礙表面方位角，計算簡單、處理速度快，滿足實時性避障要求。

(2)本發明采用的基于多冪次滑模趨近律的避障制導律，是無人機在避障不同階段均能快速收斂，同時在滿足快速性的要求的同時也減小了超調和振蕩，避免引起無人機的過度機動。

(3)本發明采用的超螺旋干擾觀測器能夠對由傳感器誤差引起的系統中的不確定量進行補償，充分考慮到實際應用中傳感器的誤差問題，確保避障系統的穩定性和快速性。

附圖說明

圖1為無人機與障礙墻面位置關系圖。

圖2為干擾觀測器系統框圖。

圖3為無人機避障軌跡圖。