【技术实现步骤摘要】
基于布谷鸟算法改进人工势场法的四旋翼编队避障方法
[0001]本专利技术属于四旋翼
,特别是一种基于布谷鸟算法改进人工势场法的四旋翼编队避障方法。
技术介绍
[0002]随着现代技术的飞速发展,传感器、微电子以及通信等关键技术不断革新,无人机因其机动性好、控制结构简单的优点在各行各业取得了极为广泛的应用。
[0003]随着任务复杂度的提升,四旋翼飞行器编队的必要性愈发显著。由于室内环境下缺少GPS信号,高精度的室内定位系统开发技术难度高。目前已有研究在四旋翼编队飞行中引入了运动捕捉系统VICON,开发出四旋翼无人机室内编队控制系统。
[0004]人工势场法计算简单、实时性高,并且规划出来的路径一般是平滑且安全的,常被应用于机器人路径规划的避障中。但其本身存在缺点,包括目标不可达问题、振荡问题、局部极值问题。人工势场法是一种利用虚拟力在已知环境中进行路径规划的算法,因其运算速度快和高效简单而广泛应用。该算法将环境中障碍物与禁止进入的区域设为斥力点;将终点与可以进入的区域设为引力点。因此人工势场法存在以下问题:其一,当无人机受到来自斥力和引力的合力为0时,即斥力引力大小相同、方向相反时,无人机会停止运动,此时陷入了局部极小点。人工势场法很容易陷入这种局部极小点,在实际过程中,当障碍物、目标点和无人机处于同一直线时,无人机接近障碍物的过程中由于斥力不断增加、引力不断减小,因此很可能会出现斥力与引力大小相同、方向相反的情况,此时人工势场法将不再有效。其二,理论上当无人机到达目标点附近时引力与斥力都会很小 ...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于布谷鸟算法改进人工势场法的四旋翼编队避障方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:步骤1,确定主机四旋翼的当前位置、目标位置、环境中障碍物的位置及大小,建立环境模型,并初始化人工势场法的参数;步骤2,利用斥力函数和引力函数分别计算障碍物对主机四旋翼的斥力以及目标点对主机四旋翼的引力,同时计算斥力和引力的角度;步骤3,基于步骤2的结果,计算斥力和引力的合力,并计算与主机四旋翼距离最近的障碍物的距离;步骤4,判断步骤3中的合力是否为0,若否,则跳转至步骤5,否则判断是否到达目标点,若到达目标点则结束,否则跳转至步骤6;步骤5,判断步骤3中所述的与主机四旋翼距离最近的障碍物的距离是否小于预设阈值,若是,则跳转至步骤6,否则跳转至步骤7;步骤6,采用布谷鸟算法计算主机四旋翼下一步位置的最优解,之后利用差分进化算法进行循环迭代,直至摆脱局部极小值点且主机四旋翼与距离最近的障碍物的距离大于预设阈值,结束迭代,更新合力方向与步长;步骤7,在合力作用下,主机四旋翼按照预设步长运动到下一步的位置;步骤8,判断所述下一步的位置是否满足转角约束条件,若不满足,跳转至步骤6,重新规划下一步的位置,否则跳转至步骤9;步骤9,判断是否到达目标点,若到达目标点则跳转至步骤10,否则跳转至步骤2;步骤10,由上述步骤生成主机的规划飞行轨迹,之后基于飞行编队确定从机的飞行轨迹。2.根据权利要求1所述的基于布谷鸟算法改进人工势场法的四旋翼编队避障方法,其特征在于,步骤2中所述斥力函数为:式中,m为斥力系数,ρ(q)为四旋翼q到障碍物的距离,ρ
G
为四旋翼q到目标点的距离,ρ0为斥力作用范围,n为任意正实数。3.根据权利要求1所述的基于布谷鸟算法改进人工势场法的四旋翼编队避障方法,其特征在于,步骤6中所述布谷鸟算法具体包括以下步骤:步骤6
‑1‑
1,初始化n个寄主的鸟巢:在解空间内随机选择n个解,作为寄主的鸟巢,即初始解;步骤6
‑1‑
2,随机取一个布谷鸟,通过莱维飞行产生一个解,该解生成过程中采用可变步长;步长l的计算公式如下:其中,
式中,β为莱维飞行的预设参数;步骤6
‑1‑
3,评估解的质量,即计算适应度函数的值;步骤6
‑1‑
4,根据适应度函数找到最优解并记录下来;步骤6
‑1‑
5,根据发现概率舍弃一个鸟巢,并建立新鸟巢;步骤6
‑1‑
6,列出当前最佳的鸟巢,跳转步骤6
‑1‑
2,继续迭代,直到达到迭代上限;步骤6
‑1‑
7,输出最佳鸟巢中的解即主机四旋翼下一步位置;步骤6
‑1‑
8,判断是否摆脱局部极小值点或者主机四旋翼与距离最近的障碍物的距离是否大于预设阈值,若满足,则结束,否则跳转步骤6
‑1‑
1。4.根据权利要求1或3所述的基于布谷鸟算法改进人工势场法的四旋翼编队避障方法,其特征在于,步骤6中所述利用差分进化算法进行循环迭代具体包括以下步骤:步骤6
‑2‑
1,初始化差分进化算法相关变量以及种群大小和染色体长度,与布谷鸟算法所得的最佳鸟巢匹配;步骤6
‑2‑
2,计算自适应变异因子,按如下公式:式中,gen为当前进化代数,G为进化代数,F0为初始化变异因子;步骤6
‑2‑
3,按如下公式:v
i
=x
r1
+F
·
(x
r2
‑
x
【专利技术属性】
技术研发人员:曹越,朱彦瑾,王辉烨,蔡晨晓,
申请(专利权)人:南京理工大学,
类型:发明
国别省市:
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