[發明專利]未知環境中基于障礙物位置預測改進人工勢場法的無人機路徑規劃方法

有效

• 申請號: 202110698686.6
• 申請日: 2021-06-23
• 公開（公告）號: CN113342047B
• 公開（公告）日: 2023-10-17
• 發明（設計）人: 馮建新;張敬澤;張庚;解爽;丁元明;劉治國
• 申請（專利權）人: 大連大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 大連智高專利事務所(特殊普通合伙) 21235
• 代理人: 蓋小靜

本發明公開了一種未知環境中基于障礙物位置預測改進人工勢場法的無人機路徑規劃方法，該方法為了將障礙物位置信息離散化，使用障礙物在柵格中坐標表示障礙物的位置信息。無人機通過檢測并記錄障礙物移動信息，根據障礙物向其周圍各個方向移動的概率可使用馬爾可夫預測得到其下一時刻位置。在此基礎之上，無人機采用人工勢場避障時提前行動以提升無人機路徑規劃的安全性，并且針對傳統人工勢場的局部極小值，無人機可在預測到障礙物位置的情況下預測自身是否會陷入局部極小值，從而采取將極小值點作為虛擬障礙物的方法進行躲避。此外，無人機在陷入局部振蕩后，采用梯度增加引力系數以抑制引力與斥力的突變，引導自身逃離局部振蕩。

技術領域

本發明涉及無人機路徑規劃領域，具體說是針對無人機在動態環境中，具有躲避障礙物飛行的無人機軌跡規劃方法。

背景技術

近年來，無人機技術在民用和軍事領域應用越來越廣泛，其重要性與日俱增。例如無人機技術在救援、追蹤、偵查、海洋探索和森林火災管理等方面的應用，因此，無人機路徑規劃算法廣受關注。

在飛行過程中，無人機除躲避已知的靜態障礙物外，也必須規避飛行過程中的探測(如高炮、雷達、防空導彈)覆蓋區域及未知的動態障礙物威脅，以確保其自身的飛行安全。相較于靜態障礙物，無人機并不能完全掌握動態障礙物的所有信息，因此無人機飛行時存在發生碰撞的潛在威脅。

目前無人機路徑規劃技術已成為熱點，各種算法層出不窮。當前研究對無人機路徑規劃確實起到了積極作用。在未知環境下的無人機路徑規劃，經典算法應對突發情況和動態環境時，路徑規劃策略成功率較低，計算量大，很難完成實時的路徑更新。而就啟發式算法而言，A*作為啟發式算法，優點在于計算速度快，能夠高效得到無人機路徑的信息。但是其缺點也很明顯，即A*算法計算復雜路徑效率低，以及在復雜環境下出現搜索失敗的現象，不適用于未知動態環境中的無人機路徑規劃；蟻群算法也是啟發式算法，在復雜環境下極容易陷入局部極小值。在現有路徑規劃方法中，部分算法為離線規劃，無人機的軌跡事先確定，雖然能夠獲得較好的規劃效果，但不具備實時性。而部分在線規劃方法，雖然具有了一定的實時性，但并未考慮到環境的動態變化，實時性仍然不強。

發明內容

針對上述問題以及現有方法的局限性，考慮到未知環境中動態障礙物，本發明提供了一種具有躲避障礙物飛行的無人機軌跡規劃方法，其對障礙物的運動趨勢進行預測，提前采取行動以避免碰撞。

為實現上述目的，本發明的技術方案為：未知環境中基于障礙物位置預測改進人工勢場法的無人機路徑規劃方法，其特征在于：包括：

針對無人機在固定高度作業的情況下，建立無人機和障礙物模型，并獲取障礙物的影響半徑L；

根據障礙物柵格地圖，建立馬爾可夫障礙物路徑預測模型，進而預測障礙物軌跡；

將傳統人工勢場改進，結合預測的障礙物位置，得到無人機動態路徑規劃。

進一步的，建立無人機和障礙物模型，具體為：

將無人機和障礙物視為一個球體，則無人機球體以無人機的幾何中心O_UVA為原點，以無人機身體最長長度d_UVA為直徑，則其半徑為R_UVA＝d_UVA/2，相應地障礙物球體圓心為O_obs，半徑為R_obs；由于碰撞問題發生在平面，因此無人機球體在二維笛卡爾平面坐標系中就變成了圓心為O_UVA，半徑為R_UVA的圓形，障礙物球體在二維笛卡爾平面坐標系中就變成了圓心為O_obs，半徑為R_obs的圓形。

進一步的，當檢測到障礙物時，無人機的航向角將偏移航向角偏移速度為ω，偏轉角度所花費的時間為