[發(fā)明專利]一種無人機編隊隊形變換與在線動態(tài)避障方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010559970.0
• 申請日: 2020-06-18
• 公開（公告）號: CN111781948A
• 公開（公告）日: 2020-10-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭宇;曾旭;金瀅;趙雪冬
• 申請（專利權(quán)）人: 南京非空航空科技有限公司
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 南京泰普專利代理事務(wù)所(普通合伙) 32360
• 代理人: 姜露露

本發(fā)明公開了一種無人機編隊隊形變換與在線動態(tài)避障方法，屬于無人機的技術(shù)領(lǐng)域。具體包括以下步驟：步驟一、通過人工勢場算法計算出無人機斥力場、斥力及無人機受到的合力；步驟二、對步驟一種的人工勢場算法計算進行改進；步驟三、結(jié)合改進的人工勢場算法計算，提出了一種基于Kernel方法的期望路徑平滑策略用于解決無人機在避障過程中頻繁進出障礙物膨脹區(qū)域，造成存在期望路徑折線過多、拐點角度大的問題；步驟四、設(shè)計機間避障算法，用于實現(xiàn)無人機相互之間的避讓。本發(fā)明根據(jù)固定翼無人機的飛行特性，設(shè)計了機間避障人工勢場，使得多機在編隊飛行時，即不會飛入靜態(tài)障礙物區(qū)域也不會和其他飛機發(fā)生碰撞。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無人機的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種無人機編隊隊形變換與在線動態(tài)避障方法。

背景技術(shù)

無人機編隊飛行時，編隊內(nèi)部各機之間必須保持一定的安全距離，因此在線動態(tài)是必不可少的。目前成熟的避障與路徑規(guī)劃算法有人工勢場法、蟻群算法、快速擴展隨機數(shù)法、Voronoi圖法和A*算法等。這些方法根據(jù)對周圍環(huán)境的感知情況，可以分為全局規(guī)劃和局部規(guī)劃。全局規(guī)劃已知全局信息，局部規(guī)劃對全局信息未知，只能結(jié)合自身傳感器實現(xiàn)對自身局部信息的感知。動態(tài)環(huán)境下的無人機編隊避障以及避障后路徑重規(guī)劃是集群技術(shù)領(lǐng)域的一個熱點和難點，運動情況下的無人機之間的碰撞也會造成很大的損失，因此實時避障對于飛行中的編隊飛機來說尤其重要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為解決上述背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提出了一種無人機編隊隊形變換與在線動態(tài)避障方法。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種無人機編隊隊形變換與在線動態(tài)避障方法，具體包括以下步驟：

步驟一、通過人工勢場算法計算出無人機斥力場、斥力及無人機受到的合力；

步驟二、對步驟一種的人工勢場算法計算進行改進；

步驟三、結(jié)合改進的人工勢場算法計算，提出了一種基于Kernel方法的期望路徑平滑策略用于解決無人機在避障過程中頻繁進出障礙物膨脹區(qū)域，造成存在期望路徑折線過多、拐點角度大的問題；

步驟四、設(shè)計機間避障算法，用于實現(xiàn)無人機相互之間的避讓；

其中，所述步驟一具體包括：

定義無人機的位置為q，則無人機在q點的引力場函數(shù)U_att(q)和引力F_att(q)分別滿足以下公式：

式中，λ表示引力增益，ρ_α(q)表示q點到目標(biāo)a之間的距離；

無人機在q點的斥力場和斥力為：

η為斥力增益，ρ₀為障礙物的最大影響半徑，

ρ_r(q)為q點到障礙物r的距離；

無人機所受到的合力F為：

F＝F_att+F_rep

F_att為目標(biāo)對無人機的引力，F(xiàn)_rep為障礙物對無人機的斥力，定義障礙物對無人機的斥力和目標(biāo)點對無人機的引力分別為對應(yīng)斥力場和引力場的負(fù)梯度，則q點受到目標(biāo)點的引力F_att(q)和障礙物的斥力F_rep(q)分別為該點引力勢函數(shù)和斥力勢函數(shù)的負(fù)梯度，

假設(shè)同時具有N個障礙物對無人機影響是，根據(jù)疊加原理，無人機的合力F為：