[發明專利]一種基于速度勢場的無人機避障方法和系統

在審

• 申請號: 202110963231.2
• 申請日: 2021-08-20
• 公開（公告）號: CN113655810A
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 范琦涵;胡士強
• 申請（專利權）人: 上海微電機研究所（中國電子科技集團公司第二十一研究所）
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京五洲洋和知識產權代理事務所(普通合伙) 11387
• 代理人: 劉春成;劉素霞

本申請提供了一種基于速度勢場的無人機避障方法和系統，用于控制無人機有效地規避高速移動障礙物，該方法包括：根據無人機的位置和速度、障礙物的位置和速度，檢測無人機和障礙物的碰撞可能性；若無人機與障礙物存在碰撞可能性，計算引力場對無人機產生的引力、改進的斥力場對無人機產生的斥力以及速度勢場對無人機產生的速度勢場力；根據所述引力、改進的斥力場對無人機產生的斥力和速度勢場力，計算無人機第i步所受合力，其中，i取值為正整數；根據無人機第i步所受合力，計算得到無人機第i步的方向單位角，并根據方向單位角計算無人機下一步運動的速度矢量、俯仰角和偏航角，控制無人機避開障礙物。

技術領域

本申請涉及無人機航跡規劃技術領域，特別涉及一種基于速度勢場的無人機避障方法和系統。

背景技術

無人機(Unmanned Aerial Vehicle，簡稱UAV)是一種依靠自主操控或受無線遙控的不載人飛行器。近年來，隨著無人機相關技術的發展，無人機逐漸從軍事領域進入民用領域，特別在農業植保、民用航拍、編隊表演等場合發揮了重要作用。

無人機作為一種具備極高機動性、可自動化和智能化飛行的設備，在飛行過程中需要對其運動軌跡進行規劃，以保障無人機規避障礙物，同時高效到達目標點。完善的航跡規劃和自動避障能夠很大程度上減少無人機因碰撞造成損毀，同時提高無人機在復雜環境下執行任務的成功率。

傳統無人機避障算法包括Voronoi圖法、A星算法、Dijkstra算法、D星算法、人工勢場法等等。其中，人工勢場法由于結構簡單，易于建模和應用，實時性能良好的顯著優點，在無人機避障規劃中應用廣泛。

人工勢場法的基本思想是將無人機的飛行運動看作是在障礙物對其產生的斥力與目標點對其產生的引力所組成的合力驅動下的空間運動，其中，障礙物對無人機產生的斥力指引無人機避開障礙物，目標點對無人機產生的引力指引無人機向目標點運動。

目前，人工勢場法能夠解決無人機飛行過程中實時路徑規劃和避開低速運動障礙物，無法應對實時、高速移動的障礙物，特別是當障礙物速度接近甚至大于無人機飛行速度時障礙物規避問題。

因此，需要提供一種針對上述現有技術不足的改進技術方案。

發明內容

本申請的目的在于提供一種基于速度勢場的無人機避障方法和系統，以解決或緩解上述現有技術中存在的問題。

為了實現上述目的，本申請提供如下技術方案：

本申請提供了一種基于速度勢場的無人機避障方法，包括：

步驟S1、根據無人機的位置和速度、障礙物的位置和速度，檢測無人機和障礙物的碰撞可能性；

步驟S2、若無人機與障礙物存在碰撞可能性，計算引力場對無人機產生的引力、改進的斥力場對無人機產生的斥力以及速度勢場對無人機產生的速度勢場力，其中，所述引力場是目標點對無人機產生引力的勢場，方向從無人機位置指向目標點，使無人機向目標點運動，所述斥力場是障礙物對無人機產生斥力的勢場，控制無人機規避障礙物，速度勢場為與無人機速度矢量的方向、障礙物速度矢量的方向均垂直的勢場，對無人機產生速度勢場力，控制無人機規避運動障礙物；

步驟S3、根據步驟S20所述引力、斥力和速度勢場力，計算無人機第i步所受合力，其中，i取值為正整數；

步驟S4、根據無人機第i步所受合力，計算得到無人機第i步的方向單位角，并根據方向單位角計算無人機下一步運動的速度矢量、俯仰角和偏航角，控制無人機避開障礙物。

優選的，在步驟S1中，按照碰撞錐檢測條件，對所述無人機和障礙物的碰撞可能性進行檢測；所述碰撞錐檢測條件為：