一种微型无人机高机动轨迹规划方法技术

本发明专利技术公开了一种微型无人机高机动轨迹规划方法，属于无人机自主飞行的技术领域。具体包括以下步骤：步骤一、在障碍物杂乱环境下最优函数的设定；步骤二、计算出在障碍物杂乱的环境下最优轨迹规划；该方法不假设悬停的初始条件，因此适用于四旋翼无人机移动时的快速在线重规划。

【技术实现步骤摘要】
一种微型无人机高机动轨迹规划方法
本专利技术属于无人机自主飞行的
，特别是涉及一种微型无人机高机动轨迹规划方法。
技术介绍
微型无人机具有体积小、重量轻、机动性好、隐蔽性续航时间长等优良的特点，在军事和民用方面具有广泛的应用价值，尤其适合在高危、未知、复杂的环境下执行任务。军事上，微小型无人飞行器可应用于地面情报获取、战场侦察和监视、近距离空中打击和禁飞巡逻、电子战、通信中继等方面；由于微型无人机可局部部署，通过小范围侦察，小规模战斗部队提供所需要的信息，可使部队在侦察过程中的伤亡率大大减小，同时大幅提高作战效率。民用上，可用于自然灾害之后的搜索与救援，巡逻监视和目标跟踪，缉毒和反走私，高压线、大桥和地震后关键路段的检查，航拍等。还可对生化污染环境进行探测、识别，微型无人机可以“毫无顾忌”地飞入这类目标进行探测，不存在人员伤亡、污染等问题。四旋翼微型无人机在上述场景中被广泛应用，但它们在自主性和机动性方面尚未被开发利用。使四旋翼无人机更加自主且更灵活，就会带来减少操作员数量和完成任务时间的优势，这有利于它们更好的完成任务并提高了他本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型无人机高机动轨迹规划方法，其特征在于，具体包括以下步骤：/n步骤一、在障碍物杂乱环境下最优函数的设定；/n步骤二、计算出在障碍物杂乱的环境下最优轨迹规划；/n其中，所述步骤一具体包括以下流程：/n设

【技术特征摘要】
1.一种微型无人机高机动轨迹规划方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一、在障碍物杂乱环境下最优函数的设定；
步骤二、计算出在障碍物杂乱的环境下最优轨迹规划；
其中，所述步骤一具体包括以下流程：
设是动力学系统的状态，R为实数集，由三维位置及其(n-1)阶导数组成；设表示状态空间的自由区域，除了捕获无障碍物的位置Pfree外，同时还指定系统动力学上的特定约束Dfree，即每个轴的最大速度υmax，最大加速度αmax，以及更高阶的导数；
因此χfree：＝Pfree×Dfree＝Pfree×[-υmax，υmax]3×[-αmax，αmax]3×…
将障碍物区域表示为：χobs：＝χ\χfree；
虑多项式状态轨迹：
此时，
式中，D：＝[d0，…，dK]∈R3×(K+1)，为时间函数系数，d为其中的子集；为了简化表示法用表示速度，用表示加速度，为方便表示表示舍弃下标D；
则多项式轨迹通过考虑线性时不变动力学系统来生成，其中控制输入是u(t)∈U：＝[-umax，umax]3∈R3；
其中，t为当前时间，T为轨迹持续时间，u为控制指令，U为控制空间，k为函数的阶数，K为常数，K≥0，D为时间函数的系数；
在状态空间形式中，获得一个线性时不变(LTI)系统：



式中，A矩阵相当于高阶积分器，用于生成运动基元，I3为单位矩阵，3阶是由于平坦输出的位置X、Y、Z三轴坐标系组成，A、B矩阵为3n阶，与控制输入的阶数相关；
将轨迹的平滑度或效益定义为控制输入u(t)的L2范数的平方：



式中，n决定了控制输入的阶次。


2.根据权利要求1所述的一种微型无人机高机动轨迹规划方法，其特征在于，
给定初始状态x0∈χfree和目标区域找到多项式轨迹参数化D∈R3×(K+1)和一个时间周期T≥0，使得：






x(0)＝x0，x(T)∈χgoal



式中，ρ表示比例系数，区间为0-1，用于表示时间周期函数占整个最优函数的比例；J表示平滑度；
用C*(x0，χgoal)表示从初始状态x0到目标区域χgoal的最优成本。


3.根据权利要求1所述的一种微型无人机高机动轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤二具体包括以下步骤：
步骤201、构造运动基元；
步骤202、诱导状态空间离散化；
步骤203、确定性的最短轨迹；
步骤204、设计启发函数；
步骤205、碰撞检测；
步骤206、轨迹细化。


4.根据权利要求3所述的一种微型无人机高机动轨迹规划方法，其特征在于，通过离散的栅格其中每个控制向量um∈R3将定义为短持续时间的一个运动基元；
获得离散化UM的方法是沿着每个轴[0，umax]选择多个样本μ∈R+，其定义离散化步数并且产生M＝(2μ+1)3个运动基元；
给定初始状态生成一个持续时间τ＞0的运动基元，在t∈[0，τ]时间间隔内施加恒定的控制输入u(t)≡um∈UM，得到：



控制输入是常数，意味着所有涉及时间的系数必须相同为零，即：



将控制表达式u(t)＝um与初始条件x0进行积分得到：



或等效地给定四旋翼无人机的初始状态x0和控制输入um，等式(2)中线性时不变系统的生成轨迹是：



由于持续时间τ和控制输入um都是固定的，因此运动基元的成本为ec＝(||um||2+ρ)τ。


5.根据权利要求3所述的一种微型无人机高机动轨迹规划方法，其特征在于，状态空间的离散化允许通过从x0开始并且应用所有基元在持续时间τ后获得M个可能状态来构建可达系统状态，将所有可能的基元再次施加到M个状态中的每一个将在时间2τ处产生M2个可行的状态；
由于自由空间χfree是有界的、离散的，因此可达状态S的集合是有限的；定义图G(S，ξ)，其中S是可达系统状态的离散集合，ξ是连接图中状态的...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑宇，金滢，毕景成，赵雪冬，
申请(专利权)人：南京非空航空科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32