一种动态不确定环境下无人飞行器平面自主避障方法技术

本发明专利技术公开了一种动态不确定环境下无人飞行器平面自主避障方法，主要包括以下步骤：探测无人飞行器和动态障碍物的位置和速度；构建二维速度障碍锥；选择动态不确定性表示方法，表示速度障碍区；求解避障方向。为了简化计算，进一步将考虑动态不确定性的速度障碍区进行规则化处理，然后以此为基础，采用速度障碍圆弧法求解避障方向。该方法能够有效避免现有避障算法中因忽略“动态障碍物的机动性能”和“传感器的探测误差”而带来的影响，实现动态不确定环境下的无人飞行器平面自主避障。

Plane autonomous obstacle avoidance method for unmanned aerial vehicle in dynamic uncertain environment

The invention discloses a dynamic uncertain environment for unmanned aircraft plane autonomous obstacle avoidance method mainly comprises the following steps: detecting the unmanned aircraft and the dynamic obstacle position and speed; build a two-dimensional velocity obstacle cone; dynamic uncertainty representation, said speed obstacle avoidance; solving direction. In order to simplify the calculation, the speed obstacle area considering dynamic uncertainty is treated regularly. Then, the velocity barrier arc method is used to solve the obstacle avoidance direction. This method can avoid the influence caused by ignoring the \mobility\ and \dynamic obstacle detection sensor error existing obstacle avoidance algorithm, dynamic uncertain obstacle avoidance under the environment of unmanned plane.

【技术实现步骤摘要】
一种动态不确定环境下无人飞行器平面自主避障方法
本专利技术属于无人飞行器空间避障飞行的控制领域，尤其是涉及一种动态不确定环境下无人飞行器平面自主避障方法。
技术介绍
无人飞行器在任务飞行过程中可利用自身携带的传感器装置探测到周围存在的动静态障碍物，这些动静态障碍物可能会影响无人飞行器的安全飞行。对于静态障碍物，无人飞行器可以通过现有的方法较为轻松地实现避障；但对于动态障碍物，尤其是对于具有一定机动性能的动态障碍物，现有技术中还缺少简单实用的无人飞行器平面自主避障方法。目前，无人飞行器在避障过程中，主要依靠无人飞行器自身携带的传感器对无人飞行器的当前时刻位置PU(xu,yu)、速度vu(vucosθu,vusinθu)，其中vu为速度矢量vu的大小，θu为速度矢量vu的方向角进行探测；并依靠无人飞行器自身携带的传感器探测动态障碍物O的位置PO(xo,yo)、速度vo(vocosθo,vosinθo)，其中vo为速度矢量vo的大小，θo为速度矢量vo的方向角。传感器的探测误差会影响后续的无人飞行器避障，但是现有的无人飞行器自主避障方法很少考虑传感器的探测误差带来的影响。综上所述，现有的无人飞行器自主避障方法中，很少考虑动态障碍物的运动不确定性(即动态障碍物的机动性)和传感器的探测误差带来的避障影响，上述问题的忽略势必给后续的无人飞行器自主避障带来安全隐患，并使得避障的可靠性大幅度降低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种无人飞行器避障方法，其能够有效避免现有避障算法中因忽略“动态障碍物的机动性能”和“传感器的探测误差”而带来的影响，能够实现动态不确定环境下的无人飞行器平面自主避障本专利技术提出的一种动态不确定环境下无人飞行器平面自主避障方法，包括以下步骤：步骤S1，探测无人飞行器和动态障碍物的位置和速度；通过无人飞行器携带的传感器探测无人飞行器的当前时刻位置PU(xu,yu)、速度vu(vucosθu,vusinθu)，其中vu为速度矢量vu的大小，θu为速度矢量vu的方向角；并探测动态障碍物O的位置PO(xo,yo)、速度vo(vocosθo,vosinθo)，其中vo为速度矢量vo的大小，θo为速度矢量vo的方向角；步骤S2，构建二维速度障碍锥；将动态障碍物O膨化为以PO为圆心、半径为Ro的障碍圆Sc，然后过点PU作障碍圆Sc的两条切线，则两条切线形成障碍锥CC；然后将障碍锥CC沿vo的速度矢量方向平移vo，得到二维速度障碍锥VO；步骤S3，选择动态不确定性表示方法，表示速度障碍区；将动态障碍物O的机动性和传感器的探测误差通过障碍物的速度矢量vo方向角偏差进行表示，并将最大不确定性表示为±Δθo，其中逆时针为正，顺时针为负；将障碍物速度矢量vo对应的两个最大不确定性的速度矢量表示为vo′和vo"，并将vo、vo′和vo"形成的速度圆弧表示为Sarcs；则速度圆弧Sarcs上任意一点对应的障碍物速度矢量都将产生一个VO，将其最大不确定性对应的速度障碍锥分别表示为VO′和VO"，VO′的顶点为Pvo′，VO"的顶点为Pvo"；则考虑动态不确定性的速度障碍区∪VO为：∪VO＝VO′∪…∪VO∪…∪VO"；步骤S4，根据步骤S3得到速度障碍区∪VO，求解避障方向。由于考虑动态不确定性的速度障碍区∪VO是一个不规则的图形，为了减小在避障过程中数据计算量，需将上述的考虑动态不确定性的速度障碍区∪VO进行规则化的处理。优选的采用如下方法，步骤S4具体为：步骤S41，将考虑动态不确定性的速度障碍区规则化；以VO的顶点Pvo为圆心，线段PvoPvo′为半径，作⊙Pvo；然后分别作VO两条边界线lvo1，lvo2的平行线lvo1*，lvo2*并与⊙Pvo相切，并取lvo1*，lvo2*与VO轴线PvoQo的交点Pvo*；将以Pvo*为顶点，以lvo1*和lvo2*为两条边界线的二维速度障碍锥VO*作为规则化后的考虑动态不确定性的速度障碍区；步骤S42，根据步骤S41得到的VO*，进而求解避障方向。为了便于求解规则化后的考虑动态不确定性的速度障碍区VO*，采用速度障碍圆弧法求解避障方向，优选的采用如下方法，步骤S42具体为：步骤S421，建立速度障碍圆弧G*；以PU为圆心，速度矢量大小vu为半径做速度圆⊙PU，然后取速度圆⊙PU与VO*相交且位于VO*内部的圆弧为速度障碍圆弧G*，即G*＝⊙PU∩VO*；⊙PU与VO*的两条边界线lvo1*和lvo2*的交点为和步骤S422，求解速度障碍圆弧参数；步骤S423，求解避障方向。在求解速度障碍圆弧参数的过程中，优选的采用如下方法，步骤S422具体为：步骤S4221，将速度障碍圆弧表示为其中为矢量的方向角；β*对应于速度障碍圆弧的1/2圆心角；步骤S4222，根据速度矢量关系，求解矢量后，进而求解速度障碍圆弧参数。现有的避障方法主要是对“危险”障碍物进行避碰，但却忽略了暂时不具威胁障碍的“潜在危险”。有些情况下，当无人飞行器沿避碰重规划的航迹飞行时，之前不具威胁的障碍物会对无人飞行器飞行产生威胁。为了确保无人飞行器避碰重规划航迹的安全性，需要综合考虑障碍物的“危险”和“潜在危险”，优选的采用以下方法，步骤S423具体为：步骤S4231，定义动态障碍物O的威胁等级，并进行避碰判断；当无人飞行器的速度矢量vu∈VO*时，将动态障碍物O定义为一级威胁障碍物；当且时，将动态障碍物O定义为二级威胁障碍物；当且时，将动态障碍物O定义为三级威胁障碍物；对于一级威胁障碍物，需要进行避碰；对于二级威胁障碍物，需要分析二级威胁障碍物在无人飞行器避碰过程中产生的影响；对于三级威胁障碍物，不需要对障碍物进行避碰，则退出；步骤S4232，求解避障方向。当动态障碍物O存在多个时，且动态障碍物O的威胁等级存在多个时，优选的采用如下避碰判断方法，步骤S4231中避碰判断的方法具体为：对于探测到的动态障碍物O，当其中至少存在1个一级威胁障碍物时，需要进行避碰；否则不需要对障碍物进行避碰，则退出。优选的，步骤S4231中的分析二级威胁障碍物在无人飞行器避碰过程中产生影响的具体方法为：当某个二级威胁障碍物产生的速度障碍圆弧与一级威胁障碍物的速度障碍圆弧相交时，则将该二级威胁障碍物看作一级威胁障碍物；否则，在求解避障方向后，增加步骤S5：步骤S5，在求解的避障方向中剔除该二级威胁障碍物速度障碍圆弧对应的不可行速度矢量方向范围，其中不可行速度矢量方向范围定义为：若无人飞行器的速度矢量方向保持在某一范围内时，将与已知威胁障碍物发生碰撞，则称该矢量方向范围为不可行速度矢量范围。优选的，步骤S5具体为：步骤S51，建立动坐标系；避碰时，以无人飞行器的速度矢量vu方向为纵轴y，速度矢量vu顺时针旋转90°方向为横轴x，建立动坐标系PUxy；步骤S52，设定避碰规则；假设无人飞行器对已知障碍物避碰是通过法向加速度au进行机动，不改变无人飞行器速度矢量vu的大小，即通过改变无人飞行器的速度矢量vu方向进行避碰；假设避碰过程中无人飞行器速度矢量vu的方向角βu取值范围为[-π,π]；步骤S53，求解避碰方向。优选的，步骤S53具体为：对于单个动态障碍物，依据求解的速度障碍圆弧参数，确定避碰不可行速度矢量方向范围为则相应的避碰方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动态不确定环境下无人飞行器平面自主避障方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，探测无人飞行器和动态障碍物的位置和速度；通过无人飞行器携带的传感器探测无人飞行器的当前时刻位置P

【技术特征摘要】
1.一种动态不确定环境下无人飞行器平面自主避障方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，探测无人飞行器和动态障碍物的位置和速度；通过无人飞行器携带的传感器探测无人飞行器的当前时刻位置PU(xu,yu)、速度vu(vucosθu,vusinθu)，其中vu为速度矢量vu的大小，θu为速度矢量vu的方向角；并探测动态障碍物O的位置PO(xo,yo)、速度vo(vocosθo,vosinθo)，其中vo为速度矢量vo的大小，θo为速度矢量vo的方向角；步骤S2，构建二维速度障碍锥；将动态障碍物O膨化为以PO为圆心、半径为Ro的障碍圆Sc，然后过点PU作障碍圆Sc的两条切线，则两条切线形成障碍锥CC；然后将障碍锥CC沿vo的速度矢量方向平移vo，得到二维速度障碍锥VO；步骤S3，选择动态不确定性表示方法，表示速度障碍区；将动态障碍物O的机动性和传感器的探测误差通过障碍物的速度矢量vo方向角偏差进行表示，并将最大不确定性表示为±Δθo，其中逆时针为正，顺时针为负；将障碍物速度矢量vo对应的两个最大不确定性的速度矢量表示为vo′和vo″，并将vo、vo′和vo″形成的速度圆弧表示为Sarcs；则速度圆弧Sarcs上任意一点对应的障碍物速度矢量都将产生一个VO，将其最大不确定性对应的速度障碍锥分别表示为VO′和VO″，VO′的顶点为Pvo′；则考虑动态不确定性的速度障碍区∪VO为：∪VO＝VO′∪…∪VO∪…∪VO″；步骤S4，根据步骤S3得到速度障碍区∪VO，求解避障方向。2.如权利要求1所述的一种动态不确定环境下无人飞行器平面自主避障方法，其特征在于，步骤S4具体为：步骤S41，将考虑动态不确定性的速度障碍区规则化；以VO的顶点Pvo为圆心，线段PvoPvo′为半径，作⊙Pvo；然后分别作VO两条边界线lvo1，lvo2的平行线lvo1*，lvo2*并与⊙Pvo相切，并取lvo1*，lvo2*与VO轴线PvoQo的交点Pvo*；将以Pvo*为顶点，以lvo1*和lvo2*为两条边界线的二维速度障碍锥VO*作为规则化后的考虑动态不确定性的速度障碍区；步骤S42，根据步骤S41得到的VO*，进而求解避障方向。3.如权利要求2所述的一种动态不确定环境下无人飞行器平面自主避障方法，其特征在于，步骤S42具体为：步骤S421，建立速度障碍圆弧G*；以PU为圆心，速度矢量大小vu为半径做速度圆⊙PU，然后取速度圆⊙PU与VO*相交且位于VO*内部的圆弧为速度障碍圆弧G*，即G*＝⊙PU∩VO*；⊙PU与VO*的两条边界线lvo1*和lvo2*的交点为和步骤S422，求解速度障碍圆弧参数；步骤S423，求解避障方向。4.如权利要求3所述的一种动态不确定环境下无人飞行器平面自主避障方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨秀霞，张毅，周硙硙，华伟，梁勇，赵贺伟，耿宝亮，韦建明，罗超，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军航空工程学院，
类型：发明
国别省市：山东,37