一种基于梯度函数的无人机编队避障方法技术

本发明专利技术涉及一种基于梯度函数的无人机编队避障方法，(1)准备若干架无人机；(2)规定起始位置与目标位置，目标位置周围无障碍物；(3)开始起飞，每架飞机向各自目标位置移动，每当某一架飞机移动一步，扫描全局飞机位置；(4)存储步骤(3)最新扫描得到的值，并准备下一步更新；(5)根据最新存储的数据，计算相邻两两飞机之间的距离，判断是否有飞机满足避障条件，即最近距离是否靠近安全距离；(6)进入编队飞行状态，假设满足避障条件，则避障过程建立的模型；重复步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)，避障策略采用步骤(6)。本发明专利技术更好实现了机群内，机对机的动态避障，弥补了传统动态避障算法中的不足。

An obstacle avoidance method of UAV formation based on gradient function

The invention relates to an obstacle avoidance method of UAV formation based on gradient function, (1) preparing several UAVs, (2) specifying the starting position and target position, and no obstacles around the target position, (3) starting to take off, each aircraft moves to its own target position, scanning the global aircraft position every time a certain aircraft moves one step, (4) storing the latest scanned value, and accurate Prepare for the next update; (5) calculate the distance between two adjacent aircrafts according to the latest stored data, and judge whether any aircrafts meet the obstacle avoidance conditions, i.e. whether the nearest distance is close to the safe distance; (6) enter the formation flying state, assuming that the obstacle avoidance conditions are met, the model of the obstacle avoidance process is established; repeat steps (3), 4 and 5, and the obstacle avoidance strategy adopts step (6). The invention better realizes the dynamic obstacle avoidance of machine to machine in the cluster, and makes up the deficiency of the traditional dynamic obstacle avoidance algorithm.

【技术实现步骤摘要】
一种基于梯度函数的无人机编队避障方法
本专利技术涉及无人机编队避障和队形控制领域，具体而言，涉及一种基于梯度函数的无人机编队避障方法。
技术介绍
随着当前航空航天技术的不断发展，无人机在社会各领域的应用越来越广泛。在需求不断被挖掘场合，单架无人机的应用受限越来越大。比如执行某项任务时，单架无人机人力成本与时间成本远大于多架无人机。就其结果而言，单架执行任务范围较窄，造成执行效率过低等问题。避障问题是多无人机编队领域里的热门问题，传统方法大部分都基于二维平面，都是对已有的算法进行改进，没有对此类问题提出可靠的模型以及对模型中的问题进行归纳总结。
技术实现思路
本专利技术针对避障中的对机群内的飞机间的避障问题提出了尝试性的模型：根据运动趋势，对一定范围内的无人机碰撞情况进行细化与分析，得出前障(追尾)模型和后撞(被追尾)模型。并对模型给出了应有的解释，解决了二维平面下多无人机机群内的避障问题，并且经过实验可以进行仿真应用。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种基于梯度函数的无人机编队避障方法，包括以下步骤(1)准备若干架无人机；(2)规定起始位置与目标位置；a、确定无人机机群的起始位置；b、确定无人机机群的目标位置；c、确定起始位置与目标位置之间，目标位置周围无障碍物；(3)开始起飞，每架飞机向各自目标位置移动，每当某一架飞机移动一步，扫描全局飞机位置；(4)存储步骤(3)最新扫描得到的值，并准备下一步更新；(5)根据最新存储的数据，计算相邻两两飞机之间的距离，判断是否有飞机满足避障条件，即最近距离是否靠近安全距离；(6)进入编队飞行状态，假设满足避障条件，则避障过程建立的模型与解释如下：a、前障模型，r是飞机起飞后，旋翼最外围到飞机几何中心的距离；R是飞机A与B的几何中心的距离；假设某时刻两飞机距离为L，则理论安全距离定义为L＞2r；υA与υB分别是飞机A和B沿着方向的速度分量，且满足υA＜υB，即说明在较短时间内，飞机B会靠近飞机A的安全距离，进而可能发生碰撞；在此种模型下的避让方案为：飞机B进入避障状态，采取沿梯度方向飞行的策略，使得υB减小：此时在方向，速度差为Δυ(t)＝υB(t)-υA(t)，最大碰撞时间为：根据要最短时间达到目标位置的要求，平面内的梯度方向存在两个方向，假设根据相关算法，飞机B选择了方向，则只需要保证在tΔ(t)内Δυ(t)＝0；则飞机A、飞机B这两架飞机不会发生碰撞，全局范围内，实时检测两两飞机之间的距离，其中飞机A与飞机B是某一时刻检测到的最近的两架飞机；同时，根据相关算法，假设判定飞机B只能沿方向前进，飞机A与飞机B具有相同轨迹，则此时仍然需要满足上述Δυ(t)＝0的要求，策略改变成飞机B沿着方向减速；b、后撞模型，假设此时是对飞机A提出避让要求，则飞机A的避让目标是不被飞机B撞机；首先，此时飞机A加速使得沿着方向的速度υA增大，减小Δυ(t)，相对延长tΔ(t)，同时沿着某梯度方向，增大与飞机B飞行方向的距离；重复步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)，避障策略采用步骤(6)。本专利技术的有益效果在于：1、更好实现了机群内，机对机的动态避障。2、弥补了传统动态避障算法中的不足，给出了有效的参考方案。3、对多无人机群体协同编队中的复杂队形变换问题，给出了有效的参考方案。附图说明图1是本专利技术的避障模型示意图。图2是本专利技术的前障模型的避让策略示意图。图3是本专利技术的后撞模型的避让策略示意图。图4是本专利技术的流程示意图。具体实施方式下面结合附图进一步详细描述本专利技术的技术方案。如图4所示，一种基于梯度函数的无人机编队避障方法：(1)准备若干架无人机；(2)规定起始位置与目标位置(图案)；a、确定无人机机群的起始位置；b、确定无人机机群的目标位置；c、确定起始位置与目标位置之间，目标位置周围无障碍物；(3)开始起飞，每架飞机向各自目标位置移动，每当某一架飞机移动一步，扫描全局飞机位置；(4)存储最新扫描得到的值，并准备下一步更新；(5)根据最新存储的数据，计算安全距离，判断是否有飞机满足避障条件(最近距离是否靠近安全距离)；(6)进入编队飞行状态，假设满足避障条件，则避障过程建立的模型与解释如下：a、图1是前障模型，r是飞机起飞后，旋翼最外围到飞机几何中心的距离。R是飞机A与飞机B的几何中心的距离。假设某时刻两飞机距离为L，则理论安全距离定义为L＞2r。υA与υB分别是飞机A和B沿着方向的速度分量，且满足υA＜υB，即说明在较短时间内，飞机B会靠近飞机A的安全距离，进而可能发生碰撞。在此种模型下的避让方案为：飞机B进入避障状态，采取沿梯度方向飞行的策略，见图2，使得υB减小：此时在方向，速度差为Δυ(t)＝υB(t)-υA(t)，最大碰撞时间为：根据要最短时间达到目标位置的要求，平面内的梯度方向存在两个两个方向，假设根据相关算法，飞机B选择了方向，则只需要保证在tΔ(t)内Δυ(t)＝0。则飞机A、飞机B这两架飞机不会发生碰撞(飞机B不会撞向飞机A)。这里必须说明，全局范围内，实时检测两两飞机之间的距离，其中飞机A与飞机B是某一时刻检测到的最近的两架飞机。同时，根据相关算法，假设判定飞机B只能沿方向前进，则此时仍然需要满足上述Δυ(t)＝0的要求，策略改变成飞机B沿着方向减速。b、后撞模型示意图仍如图1所示，假设此时是对飞机A提出避让要求，如图3所示，则飞机A的避让目标是不被飞机B撞机。首先，此时飞机A加速使得沿着方向的速度υA增大，减小Δυ(t)，相对延长tΔ(t)，同时沿着某梯度方向，增大与飞机B飞行方向的距离。重复步骤(3)(4)(5)，避障策略采用步骤(6)。根据以上说明的揭示与教导，本专利技术所属的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和改进，因此，本专利技术并不局限于上述的揭示与描述的具体的实施方式，对本专利技术的一些修改和变更也应当落入本专利技术的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本专利技术构成任何限制。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于梯度函数的无人机编队避障方法，其特征在于，包括以下步骤/n(1)准备若干架无人机；/n(2)规定起始位置与目标位置；/na、确定无人机机群的起始位置；/nb、确定无人机机群的目标位置；/nc、确定起始位置与目标位置之间，目标位置周围无障碍物；/n(3)开始起飞，每架飞机向各自目标位置移动，每当某一架飞机移动一步，扫描全局飞机位置；/n(4)存储步骤(3)最新扫描得到的值，并准备下一步更新；/n(5)根据最新存储的数据，计算相邻两两飞机之间的距离，判断是否有飞机满足避障条件，即最近距离是否靠近安全距离；/n(6)进入编队飞行状态，假设满足避障条件，则避障过程建立模型；/n重复步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)，避障策略采用步骤(6)。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于梯度函数的无人机编队避障方法，其特征在于，包括以下步骤
(1)准备若干架无人机；
(2)规定起始位置与目标位置；
a、确定无人机机群的起始位置；
b、确定无人机机群的目标位置；
c、确定起始位置与目标位置之间，目标位置周围无障碍物；
(3)开始起飞，每架飞机向各自目标位置移动，每当某一架飞机移动一步，扫描全局飞机位置；
(4)存储步骤(3)最新扫描得到的值，并准备下一步更新；
(5)根据最新存储的数据，计算相邻两两飞机之间的距离，判断是否有飞机满足避障条件，即最近距离是否靠近安全距离；
(6)进入编队飞行状态，假设满足避障条件，则避障过程建立模型；
重复步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)，避障策略采用步骤(6)。


2.根据权利要求1所述的一种基于梯度函数的无人机编队避障方法，其特征在于，所述的步骤(6)避障过程建立的模型与解释如下：
a、前障模型，r是飞机起飞后，旋翼最外围到飞机几何中心的距离；R是飞机A与B的几何中心的距离；假设某时刻两飞机距离为L，则理论安全距离定义...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩旭，谌海云，许瑾，程吉祥，陈华胄，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51