一种基于视线导引律的无人机路径跟踪与自主避障方法技术

本发明专利技术公开了一种基于视线导引律的无人机路径跟踪与自主避障方法，包括：1）航迹跟踪控制：无人机根据预先设计航路信息，完成航迹跟踪控制；采用圆弧转弯实现航点平滑切换，减小跟踪误差；增加高度跟踪，实现无人机三维航迹跟踪飞行；2）在线自主避障：对障碍物进行在线检测与预估，将不规则障碍物的预警边界利用一个或多个圆柱构成，利用圆心、半径和高度对障碍物进行数学建模，简化避障算法设计；无人机在飞行过程中实时检测障碍物，在线自主生成避障临时航路，无人机按照规避航路实现对障碍物的绕障飞行。本发明专利技术方法具有较好的控制性能，可任意跟踪期望航路并完成在线自主障碍物规避，实现无人机的自主飞行。

【技术实现步骤摘要】
一种基于视线导引律的无人机路径跟踪与自主避障方法
本专利技术涉及无人机路径跟踪和自主避障
，特别是一种基于视线导引律的无人机路径跟踪与自主避障方法。
技术介绍
无人机以其独特的外形、结构及广阔的应用前景，成为当前的研究热点。自主飞行导航系统是无人机最重要的部分之一，直接决定了无人机的飞行性能。但由于无人机航路中环境的未知性、障碍物的存在等因素限制了无人机的自主飞行。在这种情况下，无人机导航控制系统需具备一定程度的路径跟踪与自主避障适应性。因此设计一种简单、高效、稳健的路径跟踪与自主避障方法，以降低系统的复杂度、增加系统的稳定性、提高导航飞行的精确性、获得满意的导航控制效果，显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于视线导引律的无人机路径跟踪与自主避障方法，本专利技术方法具有较好的控制性能，简单高效，可任意跟踪期望航路并完成在线自主障碍物规避，实现无人机的自主飞行，提高导航飞行的精确性、获得满意的导航控制效果。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：根据本专利技术提出的一种基于视线导引律的无人机路径跟踪与自主避障方法，包括以下步骤：步骤1、无人机按照设计航路跟踪目标航路，实时进行航点更新判断，完成航迹跟踪控制；步骤2、针对航点高度不同，加入高度跟踪控制，实现三维路径跟踪；步骤3、无人机自主避障方法：对障碍物进行在线建模，将不规则障碍物预警边界利用一个或多个圆柱构成，通过圆心、半径和高度对障碍物进行数学建模，简化避障算法设计；无人机在路径跟踪飞行过程中实时进行障碍物检测，当检测到障碍物时，在线自主生成避障航路，无人机按照规避航路实现对障碍物的绕障飞行。作为本专利技术所述的一种基于视线导引律的无人机路径跟踪与自主避障方法进一步优化方案，步骤1中采用圆弧方法完成航路转弯飞行。作为本专利技术所述的一种基于视线导引律的无人机路径跟踪与自主避障方法进一步优化方案，步骤1中航迹跟踪控制包括无人机直线段航路跟踪控制和无人机圆弧跟踪控制：无人机直线段航路跟踪控制所需的侧向加速度asl表达式为：其中，V是无人机地速，L1为视线距离，表示无人机到目标航路上的参考点距离，d为侧偏距，kl为侧偏距增益，η是无人机地速矢量与L1矢量的夹角，其表达式为：其中，为无人机地速矢量，为视线距离矢量；无人机圆弧跟踪控制所需的侧向加速度asc表达式为：其中kp，kd分别为比例、微分增益，R为圆弧段转弯半径，为侧偏距的微分量；由侧向加速度即得到无人机飞行所需的滚转角控制信号，其中侧向加速度as与滚转角控制信号φc的关系为：φc＝arctan(as/g)+ki∫ddt(4)其中g为重力加速度，ki为积分增益，侧向加速度as是asl和asc的统称，t为积分时间。作为本专利技术所述的一种基于视线导引律的无人机路径跟踪与自主避障方法进一步优化方案，步骤2中高度跟踪控制的无人机高度控制信号hc表达式为：hc＝h1+khtanγd1cosλ(5)其中h1为航点WP1的高度，kh为高度增益，γ为航迹倾斜角，d1为无人机与航点WP1在水平面上的投影距离，λ为无人机航迹与航点向量在水平面上的投影夹角。作为本专利技术所述的一种基于视线导引律的无人机路径跟踪与自主避障方法进一步优化方案，无人机自主避障方法具体包括如下步骤：1)确定前视探测线长度RL，其表达式为：其中RN为障碍物半径，Rmin无人机最小转弯半径，V无人机地速，τ1为开始转弯时无人机滚转角到达最大滚转角φmax的时间；2)判断规避方向：无人机与障碍物圆心点的连线与无人机的飞行方向的夹角Δ的表达式为：Δ＝ψN-ψ(7)其中ψN为无人机与障碍物圆心点连线与正北方向的夹角，ψ为无人机的偏航角；当Δ＞0，表示无人机航路方向指向障碍物中心左侧，无人机将沿障碍物左侧规避飞行；当Δ＜0，表示无人机航路方向指向障碍物中心右侧，无人机将沿障碍物右侧规避飞行；3)进入避障飞行模态：当前视探测线末端进入或触及到障碍物时，即：DPN≤RL+RN(8)其中DPN为无人机到障碍物圆心的距离，无人机实时在线生成半径为RS圆形规避航路，进入避障飞行模态，实施规避机动飞行；无人机进入避障飞行模态后，首先在圆形规避航路上选择无人机参考点T，参考点在无人机前方L1距离处；无人机与障碍物圆心点的连线OP与无人机与参考点的连线TP之间的夹角α的表达式为：其中|OP|为无人机到障碍物圆心点的距离，无人机与障碍物圆心点的连线OP与正北方向的夹角ψN的表达式为：其中OE、ON为障碍物圆心点坐标，PE、PN为无人机坐标；如果无人机沿右侧规避障碍物，即Δ＜0，则ψa＝ψN+α；反之，ψa＝ψN-α，ψa为期望航迹角；则得到参考点T的坐标表达式为：其中，TN为参考点的北向分量，TE为参考点的东向分量；然后计算出视线导引律所需的角度ηa为：4)搜索可达航点：在规避飞行过程中，不断检测期望航点是否可达，如果期望的航点与障碍物圆心点的距离小于规避航路半径，则表示期望点被障碍物阻挡，不可到达，将继续判断期望航点的下一航点，直至检测到有可达的航点；5)退出避障飞行模态：当无人机搜索到可达航点后，不断检测是否达到退出避障飞行模态条件；当无人机与可达航点的连线与无人机与障碍物圆心点的连线的夹角Λ＞90°时，无人机退出避障飞行模态，直线飞向可达航点。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：(1)通过视线导引律计算无人机导航跟踪所需侧向加速度，加入侧偏距补偿，提高路径跟踪性能；(2)采用圆弧跟踪算法跟新航点，提高飞行平滑性，并加入侧偏距比例微分控制，减小跟踪误差；(3)加入高度跟踪，实现三维路径跟踪；(4)对障碍物进行建模，简化了避障方法的研究，实时规划规避航路，提高避障的有效性。附图说明图1为无人机路径跟踪与自主避障流程图；图2为视线导引律几何示意图；图3为航点切换几何示意图；图4为圆弧航路跟踪几何示意图；图5为无人机重力与升力的平衡关系示意图；图6为高度跟踪几何示意图；图7为无人机避障流程图；图8为障碍物规避几何示意图；图9为无人机平面飞行轨迹仿真结果；图10为无人机东北天坐标系下飞行轨迹仿真结果。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本专利技术进行详细描述。本实施例描述了一种基于视线导引律的无人机路径跟踪与自主避障方法，其流程图如图1所示。无人机根据预先设计航路信息，通过本专利技术方法得到无人机路径跟踪所需的滚转角控制信号φc和高度控制信号hc，实现无人机三维路径跟踪。无人机路径跟踪过程中实时检测障碍物，当检测到障碍物时，在线自主生成避障临时航路，无人机按照规避航路实现对障碍物的绕障飞行。具体实施方法如下：直线跟踪如图2所示为视线导引律几何示意图，在无人机前方目标路径上选择参考点M，使其与无人机的直线距离为L1。由视线导引律得到驱动无人机到达参考点的侧向加速度asl，其表达式为：其中V是无人机地速，d为侧偏距，kl为侧偏距增益，加入侧偏距补偿，增加无人机跟踪飞行稳定性，并减小超调，η是无人机地速矢量与线段L1的夹角，其表达式为：其中，为无人机地速矢量，为视线距离矢量。当到达参考点后，无人机以相同的方法不断的在目标路径上选择距无人机L1的参考点达到航路直线跟踪目的。航点切换策略为解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于视线导引律的无人机路径跟踪与自主避障方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、无人机按照设计航路跟踪目标航路，实时进行航点更新判断，完成航迹跟踪控制；步骤2、针对航点高度不同，加入高度跟踪控制，实现三维路径跟踪；步骤3、无人机自主避障方法：对障碍物进行在线建模，将不规则障碍物预警边界利用一个或多个圆柱构成，通过圆心、半径和高度对障碍物进行数学建模，简化避障算法设计；无人机在路径跟踪飞行过程中实时进行障碍物检测，当检测到障碍物时，在线自主生成避障航路，无人机按照规避航路实现对障碍物的绕障飞行。

【技术特征摘要】
1.一种基于视线导引律的无人机路径跟踪与自主避障方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、无人机按照设计航路跟踪目标航路，实时进行航点更新判断，完成航迹跟踪控制；步骤2、针对航点高度不同，加入高度跟踪控制，实现三维路径跟踪；步骤3、无人机自主避障方法：对障碍物进行在线建模，将不规则障碍物预警边界利用一个或多个圆柱构成，通过圆心、半径和高度对障碍物进行数学建模，简化避障算法设计；无人机在路径跟踪飞行过程中实时进行障碍物检测，当检测到障碍物时，在线自主生成避障航路，无人机按照规避航路实现对障碍物的绕障飞行。2.根据权利要求1所述的一种基于视线导引律的无人机路径跟踪与自主避障方法，其特征在于，步骤1中采用圆弧方法完成航路转弯飞行。3.根据权利要求1所述的一种基于视线导引律的无人机路径跟踪与自主避障方法，其特征在于，步骤1中航迹跟踪控制包括无人机直线段航路跟踪控制和无人机圆弧跟踪控制：无人机直线段航路跟踪控制所需的侧向加速度asl表达式为：其中，V是无人机地速，L1为视线距离，表示无人机到目标航路上的参考点距离，d为侧偏距，kl为侧偏距增益，η是无人机地速矢量与L1矢量的夹角，其表达式为：其中，为无人机地速矢量，为视线距离矢量；无人机圆弧跟踪控制所需的侧向加速度asc表达式为：其中kp，kd分别为比例、微分增益，R为圆弧段转弯半径，为侧偏距的微分量；由侧向加速度即得到无人机飞行所需的滚转角控制信号，其中侧向加速度as与滚转角控制信号φc的关系为：φc＝arctan(as/g)+ki∫ddt(4)其中g为重力加速度，ki为积分增益，侧向加速度as是asl和asc的统称，t为积分时间。4.根据权利要求1所述的一种基于视线导引律的无人机路径跟踪与自主避障方法，其特征在于，步骤2中高度跟踪控制的无人机高度控制信号hc表达式为：hc＝h1+khtanγd1cosλ(5)其中h1为航点WP1的高度，kh为高度增益，γ为航迹倾斜角，d1为无人机与航点WP1在水平面上的投影距离，λ为无人机航迹与航点向量在水平面上的投影夹角。5.根据权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭剑东，王康，高艳辉，李志宇，王运泽，盛思佳，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，南京长空科技有限公司，南京浦口高新技术产业开发区管理委员会，
类型：发明
国别省市：江苏,32