一种适用于高速环境的无人机动态路径规划方法技术

一种适用于高速环境的无人机路径规划方法，结合运动力学理论，建立了和速度相关的引力、斥力函数，并增加了虚拟阻力，抛弃了“势场”的概念，直接通过虚拟力函数计算无人机所受合力，通过仿真实验，验证了该方法在无人机高速运动时的有效性和安全性。本发明专利技术有益效果：本发明专利技术方法无需生成无人机的运动路径，仅需计算无人机当前受到的期望合力，不仅降低了算法的复杂度，而且将期望加速度取代期望位置，作为控制系统的输入，从而减少一个闭环回路，简化系统复杂度，大大缩短稳定时间，解决了现有路径规划方法不适用于高速环境的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于高速环境的无人机动态路径规划方法
本专利技术涉及无人机路径规划领域，具体地说是一种适用于高速环境的无人机动态路径规划方法。
技术介绍
路径规划是无人机领域的核心技术之一。目前应用于无人机领域的路径规划方法主要有可视图法、模糊逻辑、神经网络、遗传算法、蚁群算法、人工势场法等。在众多的路径规划算法中，人工势场法因其需要信息量少、容易实现、表达式简洁、数学分析简单、计算量小等诸多优点，被广泛研究与应用。人工势场法(简称APF)也存在明显的先天缺陷，那就是“目标不可达”和“局部极小点”问题。目前，通过人工势场法和其他方法的结合，已有多种途径可以解决该问题，例如：优化函数法、障碍物填平法、虚拟子目标法、快速拓展随机树法、沿墙走策略等。上述方法各有优劣，但基本上都能顺利的引导无人机避开障碍物，到达目标点。人工势场法是上个世纪八十年代中后期由斯坦福大学教授Khatib最先提出的。这种方法的基本思想是在目标点位置构造一个引力场，在障碍物的周围构造一个斥力场，它们共同作用形成一个虚拟的人工势场，再通过求势场的负梯度值得出无人机受到的虚拟引力和斥力。令无人机沿着合力的作用方向运动，通过这种方式来寻找一条无碰撞的最优路径，这就是人工势场法的基本原理。但利用人工势场法进行路径规划仅适用于低速环境，这主要由三方面原因：一是处理器、传感器和动力系统等硬件性能的瓶颈；第二是由于人工势场法自身的理论缺陷。由于势场中的物体受到势场的作用力仅和物体的位置有关，和物体当前的运动状态无关，因此人工势场法无法根据无人机的运动状态调整引力和斥力的大小。第三是由于人工势场法以“期望位置”作为输出，设计相应的控制系统时需要位置控制和姿态控制两个闭环回路，系统设计复杂，稳定时间较长，不能及时得到期望的位置输出。从理论层面上讲，由于势场中的物体受到势场的作用力仅和物体的位置有关，和物体当前的运动状态无关，因此人工势场法无法根据无人机的运动状态调整引力和斥力的大小。从引力函数和斥力函数的表达式中也可以看出，引力和斥力的大小都仅和无人机位置有关。从应用层面上讲，人工势场法进行路径规划的步骤是：首先通过引力、斥力函数计算出当前无人机受到的引力和斥力，然后在合力的方向移动一个步进值，生成一个临时目标点，通过控制系统控制无人机运动到临时目标点，在进行下一轮的计算，无人机不断生成并运动到临时目标点，最终到达终点。低速环境下，无人机到达一个临时目标点后，可以在短时间内改变运动方向向着下一个临时目标点运动，因此可以近似的沿着理想的路径运动。但在高速环境下，由于动力系统提供的加速度有上限，控制系统也需要一定的稳定时间，因此无人机不能在短时间内改变运动方向，其实际运动路径会与理想路径有较大的偏差。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种适用于高速环境的无人机动态路径规划方法，使无人机保持较高速度的状态下，在未知环境中自动躲避静止障碍物或速度较低(低于无人机的最高速度)的移动障碍物，到达预先设定的目标点，解决了目前其他路径规划方法存在的问题。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种适用于高速环境的无人机动态路径规划方法，将无人机一次完整的路径规划分为三个阶段：一般情况下为一般阶段；无人机接近目标点后进入到达阶段；无人机陷入局部极小点后到脱困之前为脱困阶段；到达阶段和脱困阶段之外的均为一般阶段，完整的路径规划方法包括以下步骤：(1)获取无人机当前位置和速度信息，包括无人机当前位置c、无人机指向障碍物的向量无人机当前的瞬时速度以及无人机速度上限vmax，计算无人机指向目标点的向量(2)判断无人机当前所处的阶段为一般阶段、脱困阶段或到达阶段；(3)根据无人机所处的阶段，运用虚拟力函数计算期望的合力值；(4)通过控制系统控制动力系统输出期望的合力值作用于无人机，无人机受到合力后按照牛顿第二定律运动，由此得到无人机的动态路径。本专利技术所述无人机进入到达阶段的条件为：无人机离开到达阶段达到目标点的条件为：其中ε2、εv和εd是根据实际情况设置的阈值。本专利技术所述无人机进入脱困阶段的条件为：所述无人机结束脱困阶段的条件为：其中，和分别表示t时刻和t-1时刻的速度，ε1为根据实际情况设定的阈值，和分别表示t时刻和t-1时刻无人机距离目标点的距离。本专利技术所述无人机处于一般阶段时用于计算期望合力的虚拟力函数为：期望合力：引力函数：斥力函数：其中，表示期望合力，表示引力，表示斥力，Ka为引力系数，表示由无人机当前位置指向目标点的单位向量，dv表示斥力的影响范围，ds为无人机的半径，表示无人机与障碍物的相对速度，静态障碍物环境下动态障碍物环境下α表示和的夹角，Kr表示斥力系数，表示无人机指向障碍物的单位向量。本专利技术所述无人机处于到达阶段时用于计算期望合力的虚拟力函数为：期望合力：引力函数：斥力函数：虚拟阻力函数：其中，表示期望合力，表示引力，表示斥力，表示虚拟阻力，kf表示虚拟阻力系数，表示速度的单位向量。本专利技术所述无人机处于脱困阶段时用于计算期望合力的虚拟力函数为：期望合力：束缚力函数：斥力函数：引力函数：其中，表示期望合力，表示引力，表示束缚力，表示斥力，Dmin是刚进入脱困阶段时无人机与障碍物的最小距离，Ka'是引力系数，是将顺时针旋转90°后的单位向量。本专利技术的有益效果是：本专利技术结合运动力学理论，通过产生虚拟力引导无人机到达目标点，虚拟力不仅和无人机的位置有关也和运动状态密切相关，本专利技术方法无需生成无人机的运动路径，仅需计算无人机当前受到的期望合力，不仅降低了算法的复杂度，而且将期望加速度取代期望位置，作为控制系统的输入，从而减少一个闭环回路，简化系统复杂度，大大缩短稳定时间，解决了现有路径规划方法不适用于高速环境的问题。本专利技术通过建立新的斥力函数，减小了产生碰撞的风险；通过引入角度因子解决了“反弹”问题；通过引入速度因子使无人机可以顺利通过狭窄通道，并解决了“目标不可达”问题；通过在到达阶段中引入虚拟阻力解决了盘旋问题；通过仿真实验，验证了该方法在无人机高速运动时的有效性和安全性。附图说明图1为本专利技术路径规划方法的流程示意图；图2为本专利技术仿真实验环境模型图；图3、图4分别为APF规划与本专利技术规划方法下无人机正面接近障碍物的运动轨迹仿真图；图5、图6分别为APF规划与本专利技术规划方法下无人机正面接近障碍物的受力分析图；图7、图8分别为APF规划与本专利技术规划方法下无人机侧面接近障碍物的运动轨迹仿真图；图9、图10分别为APF规划与本专利技术规划方法下无人机接近对称障碍物的运动轨迹仿真图；图11、图12分别为APF规划与本专利技术规划方法下无人机接近凹型障碍物的运动轨迹仿真图；图13、图14、图15分别为APF规划下Kr＝1100、Kr＝1200以及本专利技术规划方法下无人机接近目标点附近的障碍物的运动轨迹仿真图；图16、图17分别为APF规划与本专利技术规划方法下无人机在综合环境下的运动轨迹仿真图；图18、图19、图20、图21分别为本专利技术方法下时间t为0s、8.6s、14.5s和30.8s时无人机面对动态障碍物的运动轨迹仿真图。具体实施方式路径规划的具体步骤如下：(1)设置目标点坐标cg和计算参数，继续执行步骤(2)；(2)通过传感器获取无人机当前位置c、速度无人机指向障碍物的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于高速环境的无人机动态路径规划方法，将无人机一次完整的路径规划分为三个阶段：一般情况下为一般阶段；无人机接近目标点后进入到达阶段；无人机陷入局部极小点后到脱困之前为脱困阶段；到达阶段和脱困阶段之外的均为一般阶段，其特征在于：完整的路径规划方法包括以下步骤：(1)获取无人机当前位置和速度信息，包括无人机当前位置c、无人机指向障碍物的向量

【技术特征摘要】
1.一种适用于高速环境的无人机动态路径规划方法，将无人机一次完整的路径规划分为三个阶段：一般情况下为一般阶段；无人机接近目标点后进入到达阶段；无人机陷入局部极小点后到脱困之前为脱困阶段；到达阶段和脱困阶段之外的均为一般阶段，其特征在于：完整的路径规划方法包括以下步骤：(1)获取无人机当前位置和速度信息，包括无人机当前位置c、无人机指向障碍物的向量无人机当前的瞬时速度以及无人机速度上限vmax，计算无人机指向目标点的向量(2)判断无人机当前所处的阶段为一般阶段、脱困阶段或到达阶段；(3)根据无人机所处的阶段，运用虚拟力函数计算期望的合力值；(4)通过控制系统控制动力系统输出期望的合力值作用于无人机，无人机受到合力后按照牛顿第二定律运动，由此得到无人机的动态路径。2.根据权利要求1所述的一种适用于高速环境的无人机动态路径规划方法，其特征在于：所述无人机进入到达阶段的条件为：无人机离开到达阶段达到目标点的条件为：其中ε2、εv和εd是根据实际情况设置的阈值。3.根据权利要求1所述的一种适用于高速环境的无人机动态路径规划方法，其特征在于：所述无人机进入脱困阶段的条件为：所述无人机结束脱困阶段的条件为：其中，和分别表示t时刻和t-1时刻的速度，ε1为根据实际情况设定的阈值，和分别表...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑国强，李阳，沈森，王菲，冀保峰，马华红，袁德颖，尚佳庆，王玉婷，李济顺，薛玉君，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南,41