基于组合向量场法的无人机集群自主避障方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于组合向量场法的无人机集群自主避障方法及装置。基于组合向量场法的无人机集群自主避障方法，包括：获取无人机当前位置与障碍物中心的连线，与障碍物表面最近的一个交点；确定障碍物表面在交点处的切平面，并计算切平面的法向量和所述切平面内经过所述交点的一个切向量；基于法向量和切向量，为无人机设计当前制导律，以使得无人机在朝向目标飞行的前提下避开障碍物。本发明专利技术针对无人机集群在三维空间中可能遇到的多种形状的障碍物，给出了统一形式的、解析形式的自主避障制导律，能很方便地对多种形状的障碍物进行规避。行规避。行规避。

【技术实现步骤摘要】
基于组合向量场法的无人机集群自主避障方法及装置


[0001]本专利技术涉及信息
，尤其涉及一种基于组合向量场法的无人机集群自主避障方法及装置。

技术介绍

[0002]在现实集群任务中，无人机面临的威胁包括地形(山峰、山脉等)、雷达、火力(高射炮、制导导弹等)等。地形可被视为静态障碍物，而雷达和火力则是静态或动态的障碍物。另外，对集群中每个成员，其附近的其它成员对其安全飞行也构成威胁，因此，这些成员也可以被视为动态障碍物。
[0003]相关技术中，无人机集群的避障技术只能处理三维空间中特定形状(如球体、正方体等)的障碍物，无法对多种形状的三维障碍物进行统一处理。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供一种基于组合向量场法的无人机集群自主避障方法及装置，用以解决现有技术中的无人机集群的避障技术只能处理三维空间中特定形状(如球体、正方体等)的障碍物，无法对多种形状的三维障碍物进行统一处理问题。
[0005]根据本专利技术实施例的基于组合向量场法的无人机集群自主避障方法，包括：
[0006]获取无人机当前位置与障碍物中心的连线，与障碍物表面最近的一个交点；
[0007]确定所述障碍物表面在所述交点处的切平面，并计算所述切平面的法向量和所述切平面内经过所述交点的一个切向量；
[0008]基于所述法向量和所述切向量，为所述无人机设计当前制导律，以使得所述无人机在朝向目标飞行的前提下避开所述障碍物。
[0009]根据本专利技术的一些实施例，所述障碍物的形状包括球体、圆柱体、圆锥体、平行六面体、和圆台。
[0010]根据本专利技术的一些实施例，所述获取无人机当前位置与障碍物中心的连线，与障碍物表面最近的一个交点，包括：
[0011]用公式1表示所述障碍物：
[0012][0013]其中，(x,y,z)
T
表示空间中任一位置，q0＝(x0,y0,z0)
T
表示所述障碍物中心，a
i
、p
i
(i＝1,2,3)均为实数，且当p1＝p2＝p3＝1、a1＝a2＝a3时，所述障碍物为球体；当p1＝p2＝1、p3＞1、a1＝a2时，所述障碍物为圆柱体；当p1＝p2＝1、0＜p3＜1、a1＝a2时，所述障碍物为圆锥体；当p1,p2,p3＞1时，所述障碍物为平行六面体；当p1＝p2＝1、p3＞1、R1＞R2＞0时，所述障碍物为圆台。
[0014]根据本专利技术的一些实施例，所述计算所述切平面的法向量和所述切平面内经过所
述交点的一个切向量，包括：
[0015]根据公式2计算所述切平面的法向量：
[0016][0017]其中，F
x
(x
i
,y
i
,z
i
)、F
y
(x
i
,y
i
,z
i
)、F
z
(x
i
,y
i
,z
i
)分别表示函数F(x,y,z)关于x、y、z的偏导数在所述交点q
i
＝(x
i
,y
i
,z
i
)
T
处的取值；
[0018]根据公式3计算所述切平面内经过所述交点的一个切向量：
[0019][0020]其中，
×
表示向量的外积，q0＝(x0,y0,z0)
T
表示所述障碍物中心，p
u
＝(xu,y
u
,z
u
)
T
表示所述无人机当前位置，(x
t
,y
t
,z
t
)
T
表示目标位置。
[0021]根据本专利技术的一些实施例，所述基于所述法向量和所述切向量，为所述无人机设计当前制导律，包括：
[0022]根据公式4确定组合向量场：
[0023][0024]其中，κ＞0表示可调整参数，F＝F(x,y,z)，s＝
±
1表示控制向量场旋转方向的参数，V
nom
＞0表示所述无人机当前位置的一个可设计速度；
[0025]基于所述组合向量场，根据公式5和公式6计算所述无人机期望航向角χ
d
和期望爬升角γ
d
：
[0026]χ
d
＝atan2(N
dy
,N
dx
)
ꢀꢀ
公式5，
[0027][0028]其中，atan2表示四象限正切函数。
[0029]根据本专利技术实施例的基于组合向量场法的无人机集群自主避障装置，包括：
[0030]交点获取单元，用于获取无人机当前位置与障碍物中心的连线，与障碍物表面最近的一个交点；
[0031]向量计算单元，用于确定所述障碍物表面在所述交点处的切平面，并计算所述切平面的法向量和所述切平面内经过所述交点的一个切向量；
[0032]制导律确定单元，用于基于所述法向量和所述切向量，为所述无人机设计当前制导律，以使得所述无人机在朝向目标飞行的前提下避开所述障碍物。
[0033]根据本专利技术的一些实施例，所述交点获取单元，用于：
[0034]用公式1表示所述障碍物：
[0035][0036]其中，(x,y,z)
T
表示空间中任一位置，q0＝(x0,y0,z0)
T
表示所述障碍物中心，a
i
、p
i
(i＝1,2,3)均为实数，且当p1＝p2＝p3＝1、a1＝a2＝a3时，所述障碍物为球体；当p1＝p2＝1、
p3＞1、a1＝a2时，所述障碍物为圆柱体；当p1＝p2＝1、0＜p3＜1、a1＝a2时，所述障碍物为圆锥体；当p1,p2,p3＞1时，所述障碍物为平行六面体；当p1＝p2＝1、p3＞1、R1＞R2＞0时，所述障碍物为圆台。
[0037]根据本专利技术的一些实施例，所述向量计算单元，用于：
[0038]根据公式2计算所述切平面的法向量：
[0039][0040]其中，F
x
(x
i
,y
i
,z
i
)、F
y
(x
i
,y
i
,z
i
)、F
z
(x
i
,y
i
,z
i
)分别表示函数F(x,y,z)关于x、y、z的偏导数在所述交点q
i
＝(x
i
,y
i
,z
i
)
T
处的取值；
[0041]根据公式3计算所述切平面内经过所述交点的一个切向量：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于组合向量场法的无人机集群自主避障方法，其特征在于，包括：获取无人机当前位置与障碍物中心的连线，与障碍物表面最近的一个交点；确定所述障碍物表面在所述交点处的切平面，并计算所述切平面的法向量和所述切平面内经过所述交点的一个切向量；基于所述法向量和所述切向量，为所述无人机设计当前制导律，以使得所述无人机在朝向目标飞行的前提下避开所述障碍物。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述障碍物的形状包括球体、圆柱体、圆锥体、平行六面体、和圆台。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取无人机当前位置与障碍物中心的连线，与障碍物表面最近的一个交点，包括：用公式1表示所述障碍物：其中，(x,y,z)
T
表示空间中任一位置，q0＝(x0,y0,z0)
T
表示所述障碍物中心，a
i
、p
i
(i＝1,2,3)均为实数，且当p1＝p2＝p3＝1、a1＝a2＝a3时，所述障碍物为球体；当p1＝p2＝1、p3＞1、a1＝a2时，所述障碍物为圆柱体；当p1＝p2＝1、0＜p3＜1、a1＝a2时，所述障碍物为圆锥体；当p1,p2,p3＞1时，所述障碍物为平行六面体；当p1＝p2＝1、p3＞1、R1＞R2＞0时，所述障碍物为圆台。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述计算所述切平面的法向量和所述切平面内经过所述交点的一个切向量，包括：根据公式2计算所述切平面的法向量：其中，F
x
(x
i
,y
i
,z
i
)、F
y
(x
i
,y
i
,z
i
)、F
z
(x
i
,y
i
,z
i
)分别表示函数F(x,y,z)关于x、y、z的偏导数在所述交点q
i
＝(x
i
,y
i
,z
i
)
T
处的取值；根据公式3计算所述切平面内经过所述交点的一个切向量：其中，
×
表示向量的外积，q0＝(x0,y0,z0)
T
表示所述障碍物中心，p
u
＝(x
u
,y
u
,z
u
)
T
表示所述无人机当前位置，(x
t
,y
t
,z
t
)
T
表示目标位置。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述法向量和所述切向量，为所述无人机设计当前制导律，包括：根据公式4确定组合向量场：
其中，κ＞0表示可调整参数，F＝F(x,y,z)，s＝
±
1表示控制向量场旋转方向的参数，V
nom
＞0表示所述无人机当前位置的一个可设计速度；基于所述组合向量场，根据公式5和公式6计算所述无人机期望航向角χ
d
和期望爬升角γ
d
：χ
d
＝atan2(N
dy
,N
dx
)
ꢀꢀ
公式5，其中，ata...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵彦杰，梁月乾，袁莞迈，隋维舜，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司电子科学研究院，
类型：发明
国别省市：