基于改进自适应调整阈值势场法的无人机冲突探测和解脱方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进自适应调整阈值势场法的无人机冲突探测和解脱方法，用于解决现有技术中无人机路线规划非动态调整障碍物躲避的范围导致飞行效率低下且安全性较差的问题。本发明专利技术利用势场法的及时性，避免采用基于启发函数的算法而由于计算量庞大等问题错过避让时机。同时采用动态避让半径规划，避免传统方法一刀切的设定避让半径，平衡飞行安全及空域利用率。保证无人机可以在安全的情况下少避让，在危险的时候提前采取避让措施。另外，本方法由于其时效性优越，基于不同的避让半径，可以在多障碍物环境下高效稳定的选择出避让实际及角度。

【技术实现步骤摘要】
基于改进自适应调整阈值势场法的无人机冲突探测和解脱方法
本专利技术涉及一种基于改进自适应调整阈值势场法的无人机冲突探测和解脱方法，属于飞行器路线规划

技术介绍
随着无人机应用潜力被发掘，无人机近年来在数量和种类上急剧增长。然而空域资源有限，导致无人机遇到冲突的概率也随之增加，所以合理平衡飞行安全及空域运行效率迫在眉睫。为实现这一目的，涌现了很多冲突解脱算法，可以使得无人机躲避飞行过程中的移动障碍物，并在短时间内进行合理避让，避让后回归目标方向，确保飞行安全。在众多无人机冲突解脱算法中，主要分为基于启发函数的解脱算法或基于势场的解脱算法。基于启发函数的解脱算法以A*，粒子群算法等为主，他们的特点都是以当前位置为基础，将其所有可能到达的下一个位置记录在案作为集合。将集合中的位置分别取出，计算各位置距起点的固定成本与该位置和目标点的启发函数结果之和。选取所有位置的计算结果最小的位置为下一目标位置。由于固定成本计算简单且形式统一，该方法的效果则极大依赖于启发函数的建立，一个不好的函数不仅会增大计算量，增加计算时间，甚至将不好的位置方向作为接下来的位置选择，进而影响无人机的安全。一个缺乏考量的启发式函数虽然也能得到结果，但可能错过最优解，所以出现了另一种基于迭代的A*算法。该方法虽然可以避免错过最优解，但是仍不可避免当函数设计不好时，计算量增大，计算时间增长，甚至由于迭代的原因，会进行大量的重复计算，其时效性及其不好，更适用于理论层面。在现时层面，很可能因为计算时间的原因而无法及时做出决策。基于势场的解脱算法，以引力势场算法为主，势场法有别与启发函数法，其时效性尤其突出，可以及时得出下一运动位置，所有这种方法被广泛应用于对时间敏感的避障等问题。但是传统的势场法常常以经验为依据，一刀切的以固定距离作为势场范围，针对同一个避让模型，无论无人机与障碍物的速度，方向如何，其势场作用域均相同，针对相同距离的不同障碍物，无人机均采取相同避让策略。由此，空域运行效率被大大牺牲，一些可不进行避让的情况会出现避让行为，增加了无人机的飞行距离，增长了总飞行时间，造成了空域效率下降。由于其时效性快，常规做法以固定时间间隔作为重新计算势场结果的触发条件，时间间隔设置过密，无人机运动轨迹过于曲折，时间间隔设置过疏，无人机可能避让不及时。
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基于改进自适应调整阈值势场法的无人机冲突探测和解脱方法，用于解决现有技术中无人机路线规划非动态调整障碍物躲避的范围导致飞行效率低下且安全性较差的问题。为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种基于改进自适应调整阈值势场法的无人机冲突探测和解脱方法，包括以下步骤：S100：获取初始避让半径；S200：建立以无人机为中心的坐标系，获取坐标系中障碍物的标记信息；S300：根据障碍物的标记信息计算自适应避让半径；S400：根据各障碍物的自适应避让半径，规划以障碍物为圆心、以自适应避让半径为半径的规划冲突解脱区域；S500：如无人机进入冲突解脱区域，对有效障碍物计算其危险半径，有效障碍物为无人机进入冲突解脱区域内的障碍物；S600：根据无人机最小转弯半径、有效障碍物危险半径以及飞行方向规划可飞行区域；S700：根据障碍物危险半径以及障碍物运动方向规划扩充危险区；S800：根据过危险扩充区计算障碍物斥力、引力；S900：无人机沿最小转弯半径运动直至离开冲突解脱区域。作为本专利技术的进一步改进，步骤S100中，所述初始避让半径为计算动态自适应半径的初始避让半径r_init。作为本专利技术的进一步改进，步骤S200中，所述坐标系为笛卡尔直角坐标系，无人机运动方向为y轴，垂直于y轴方向为x轴，并坐标系中标记空间中所有障碍物位置及速度大小及方向。作为本专利技术的进一步改进，步骤S300中，自适应避让半径计算公式如下：其中，|v|:飞机与障碍的相对速度；γ：角度风险系数；θ：为飞机与障碍的相对速度与飞机与障碍连线夹角所对应弧度值；DI：飞机与障碍间距离；σ：综合风险系数；DImin：无人机与障碍物无避让情况下飞行全程中的最短距离；rmin:最小安全距离,即采取规避后无人机与障碍的最短距离，若采取规避后DI<rmin则会因为距离过近导致规避失败，小于rinit。作为本专利技术的进一步改进，步骤S500中，有效障碍物的危险半径，按如下公式确定：r_danger：障碍物危险半径，rmin:最小安全距离。作为本专利技术的进一步改进，步骤S600中，根据无人机最小转弯半径、有效障碍物危险半径以及飞行方向规划可飞行区域，包括：以无人机为圆心，以无人机到障碍物的危险区域的最远端距离为半径做圆，取无人机飞行方向左右各90度半圆区域，以无人机最小拐弯半径，绘制飞行受限区，飞行受限区起点与无人机当前飞行方向相切。作为本专利技术的进一步改进，所述以无人机为圆心，以无人机到障碍物的危险区域的最远端距离为半径做圆，当障碍物为多个障碍物时，取多个障碍物中最远端距离最大值为半径做圆。作为本专利技术的进一步改进，步骤S700中，根据障碍物危险半径以及障碍物运动方向规划扩充危险区，包括：连结障碍物与无人机，交障碍物危险半径于点o，过点o做危险区域内接三角形，连结无人机至内接三角形另外两顶点M、N，过点O做两条连线的内切圆，将该圆以圆心移动至障碍物运动方向与障碍物危险半径交点处完成扩充。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术利用势场法的及时性，避免采用基于启发函数的算法而由于计算量庞大等问题错过避让时机。同时采用动态避让半径规划，避免传统方法一刀切的设定避让半径，平衡飞行安全及空域利用率。保证无人机可以在安全的情况下少避让，在危险的时候提前采取避让措施。另外，本方法由于其时效性优越，基于不同的避让半径，可以在多障碍物环境下高效稳定的选择出避让实际及角度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是无人机和障碍物在同一时刻到达相同地点的空域示意图；图2是潜在碰撞危险较大时，初始避让半径与自适应避让半径的关系示意图；图3是图1空域情况下，当无人机尚未进入冲突解脱区域时，障碍物和无人机的位置关系示意图；图4是无人机已进入r_resolution所确定的冲突解脱区域，而未进入传统方法r_init所确定的冲突解脱区域的示意图；图5是当无人机到达障碍物运动轨迹线上时，障碍物已飞过路径交点的空域示意图；图6是图5空域情况下，r_resolution与r_init的大小关系示意图；图7是图5空域情况下，当无人机尚未进入冲突解脱区域时，障碍物和无本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进自适应调整阈值势场法的无人机冲突探测和解脱方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS100：获取初始避让半径；/nS200：建立以无人机为中心的坐标系，获取坐标系中障碍物的标记信息；/nS300：根据障碍物的标记信息计算自适应避让半径；/nS400：根据各障碍物的自适应避让半径，规划以障碍物为圆心、以自适应避让半径为半径的规划冲突解脱区域；/nS500：如无人机进入冲突解脱区域，对有效障碍物计算其危险半径，有效障碍物为无人机进入冲突解脱区域内的障碍物；/nS600：根据无人机最小转弯半径、有效障碍物危险半径以及飞行方向规划可飞行区域；/nS700：根据障碍物危险半径以及障碍物运动方向规划扩充危险区；/nS800：根据过危险扩充区计算障碍物斥力、引力；/nS900：无人机沿最小转弯半径运动直至离开冲突解脱区域。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于改进自适应调整阈值势场法的无人机冲突探测和解脱方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100：获取初始避让半径；
S200：建立以无人机为中心的坐标系，获取坐标系中障碍物的标记信息；
S300：根据障碍物的标记信息计算自适应避让半径；
S400：根据各障碍物的自适应避让半径，规划以障碍物为圆心、以自适应避让半径为半径的规划冲突解脱区域；
S500：如无人机进入冲突解脱区域，对有效障碍物计算其危险半径，有效障碍物为无人机进入冲突解脱区域内的障碍物；
S600：根据无人机最小转弯半径、有效障碍物危险半径以及飞行方向规划可飞行区域；
S700：根据障碍物危险半径以及障碍物运动方向规划扩充危险区；
S800：根据过危险扩充区计算障碍物斥力、引力；
S900：无人机沿最小转弯半径运动直至离开冲突解脱区域。


2.根据权利要求1所述的基于改进自适应调整阈值势场法的无人机冲突探测和解脱方法，其特征在于：步骤S100中，所述初始避让半径为计算动态自适应半径的初始避让半径r_init。


3.根据权利要求1所述的基于改进自适应调整阈值势场法的无人机冲突探测和解脱方法，其特征在于：步骤S200中，所述坐标系为笛卡尔直角坐标系，无人机运动方向为y轴，垂直于y轴方向为x轴，并坐标系中标记空间中所有障碍物位置及速度大小及方向。


4.根据权利要求1所述的基于改进自适应调整阈值势场法的无人机冲突探测和解脱方法，其特征在于：步骤S300中，自适应避让半径计算公式如下：









其中，|v|:飞机与障碍的相对速度；γ：角度风险系数；θ：为飞机与障碍的相对速度与飞机与障碍连线夹...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴学礼，许笑允，甄然，
申请(专利权)人：河北科技大学，
类型：发明
国别省市：河北;13