[發(fā)明專利]基于混合整數(shù)二階錐優(yōu)化的無人機避障實時軌跡規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210049148.9
• 申請日: 2022-01-17
• 公開（公告）號: CN114594785B
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發(fā)明（設計）人: 劉新福;張國旭
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京正陽理工知識產(chǎn)權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

本發(fā)明公開的基于混合整數(shù)二階錐優(yōu)化的無人機避障實時軌跡規(guī)劃方法，屬于航空航天技術領域。本發(fā)明實現(xiàn)方法為：構建最短時間的最優(yōu)控制問題，將其轉為固定時間最優(yōu)控制問題；引入無量綱狀態(tài)量θ對航向角的正切值進行替換，引入約束將動力學與目標函數(shù)中的非凸項轉至此約束中，定義變量u將非凸項轉移至不等式約束|u|≤ωsubgt;max/subgt;δsupgt;3/supgt;/V；引入整型變量ηsubgt;j/subgt;，使二維平面任意形狀的避障約束成為線性約束；對產(chǎn)生的非凸不等式約束|u|≤ωsubgt;max/subgt;δsupgt;3/supgt;/V進行線性化處理；迭代求解該混合整數(shù)二階錐優(yōu)化問題，實現(xiàn)無人機避障實時軌跡最優(yōu)規(guī)劃。本發(fā)明具有如下優(yōu)點：(1)求解混合整數(shù)二階錐優(yōu)化問題，規(guī)劃高效；(2)對障礙物的形狀沒有嚴格的限制；(3)能夠實現(xiàn)時間最優(yōu)；(4)規(guī)劃可靠性高。

技術領域

本發(fā)明涉及一種無人機避障實時軌跡規(guī)劃方法，尤其涉及適用于考慮最短時間指標下的基于混合整數(shù)二階錐優(yōu)化的無人機避障實時軌跡規(guī)劃方法，屬于航空航天技術領域。

背景技術

隨著自主控制、通信技術、和高性能材料的快速發(fā)展，無人機已經(jīng)廣泛地應用于各種任務，其中較為典型的領域有軍事偵察、消防安全、野外救援等等。上述任務對無人機的自主決策以及飛行能力提出較高的要求。尤其針對自主飛行任務，無人機必須要具備在線避障的能力。所謂無人機避障能力是指無人機在飛行過程中能夠快速重復地規(guī)劃無碰撞的可行甚至是最優(yōu)的飛行軌跡。這就要求無人機能夠針對不同形狀的障礙物規(guī)劃出一條安全且具備一定最優(yōu)性的飛行軌跡。通常，優(yōu)化方法可用來解決上述軌跡規(guī)劃問題。然而，受限于數(shù)學模型的構建，目前現(xiàn)有的研究與技術大都局限于針對橢圓或圓形障礙的無人機軌跡規(guī)劃，這使得此類技術的應用具有局限性。為了解決二維任意形狀避障問題，一種基于混合整數(shù)的線性規(guī)劃方法(MILP)考慮將整數(shù)變量引入，并取得了良好的效果。然而，此類方法將會引入大量的整數(shù)變量，這使得整個優(yōu)化問題的求解效率較低，通常難以滿足實際應用時計算效率的要求。因此，本專利提出的基于混合整數(shù)二階錐優(yōu)化的無人機避障實時軌跡規(guī)劃方法，不僅能夠適用于針對二維任意形狀障礙物的無人機軌跡規(guī)劃，相比于MILP方法，還能夠有效地減少整數(shù)變量的個數(shù)，進而滿足無人機在線避障規(guī)劃的任務需求。

在已發(fā)展的關于無人機軌跡規(guī)劃方法中在先技術[1](參見：王祝,?劉莉,龍騰,等.基于罰函數(shù)序列凸規(guī)劃的多無人機軌跡規(guī)劃[J].航空學報,2016,37(010):3149-3158.)考慮了具有非線性運動約束和非凸路徑約束的無人機軌跡規(guī)劃問題，建立了圓形障礙物的數(shù)學表達，并使用序列凸優(yōu)化算法對無人機軌跡規(guī)劃問題求解，以更好地權衡最優(yōu)性與時效性，提升無人機避障能力，但是僅考慮了圓形障礙物，使得方法應用具有局限性。

在先技術[2](參見：Maia?M?H,RKHOn?the?use?of?mixed-integerlinear?programming?for?predictive?control?with?avoidance?constraints[J].International?Journal?ofRobustNonlinear?Control,2010,?19(7):822-828.)該方法引入整數(shù)變量構建了針對不規(guī)則障礙(多項式障礙物)的無人機軌跡規(guī)劃問題，并取得了良好的避障效果，獲得了一條安全且具有最優(yōu)性的飛行軌跡。然而，該方法引入了過多的整數(shù)變量降低了問題求解效率，此外，考慮了線性無人機模型使得此研究的方法無法適用非線性無人機模型。

因此，對于無人機避障實時軌跡規(guī)劃，不僅僅需要考慮二維任意形狀障礙物的構建，還要能夠減少問題中整型變量的個數(shù)，才能夠提升優(yōu)化問題的求解效率，進而使得該問題的應用場景有明顯的擴展。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明公開的基于混合整數(shù)二階錐優(yōu)化的無人機避障實時軌跡規(guī)劃方法要解決的技術問題是：在二維任意形狀避障約束下，考慮無人機二維非線性運動模型，并基于混合整數(shù)二階錐優(yōu)化實現(xiàn)無人機避障實時軌跡規(guī)劃；具有如下優(yōu)點：(1)求解混合整數(shù)二階錐優(yōu)化問題，規(guī)劃高效；(2)對障礙物的形狀沒有嚴格的限制；(3)能夠實現(xiàn)時間最優(yōu)；(4)規(guī)劃可靠性高。