多威胁环境下的协同路径规划方法技术

本发明专利技术涉及多智能体协同控制技术领域，公开了一种多威胁环境下的协同路径规划方法，该方法包括：根据无人机集群中每架无人机的起点位置和终点位置规划所有可行的威胁规避路径；根据期望路径长度，在每架无人机的可行的威胁规避路径中确定基础路径，并对所确定的基础路径进行优化调整，使优化后的基础路径的长度与期望路径长度的优化后长度误差最小，并将优化后长度误差从低到高排列的前n条优化后的基础路径作为优化路径集；对每架无人机的优化路径集进行碰撞检测，并将检测到的无碰撞的优化路径作为协同路径。由此，可以使无人机集群在具有威胁规避功能的条件下，生成几乎等长的协同路径，使无人机集群在巡航突防末端满足一定的时空约束条件。时空约束条件。时空约束条件。

【技术实现步骤摘要】
多威胁环境下的协同路径规划方法


[0001]本专利技术涉及多智能体协同控制
，尤其涉及一种多威胁环境下的协同路径规划方法。

技术介绍

[0002]无人机协同功能在搜索、探测、打击等任务中得到了广泛的应用。无人机集群在飞往任务区域的过程中会遇到障碍物或威胁区(本文中统称为威胁区)，为了使后续的协同任务能够顺利开展，需要无人机集群对威胁进行规避并保持一定的时间和空间运动约束。因此在多威胁环境下的无人机协同路径规划技术具有重要的研究意义。
[0003]在现有研究中，路径规划方法可分为数学计算方法、图论方法、智能启发式方法、基于路径规划方法等。以上及方法均能满足多威胁环境下的无人机协同路径规划需求，但是每种方法也存在各自的局限性。其中，数学计算方法和智能启发式方法的在线计算量大，图论方法和智能启发式方法需要对规划出的路径点进行二次拟合生成可飞路径，基于路径规划方法依赖于路径点的选取。Dubins方法属于基于路径规划方法，它具有路径规划简单、计算量小、符合无人机机动性约束的优势。在基于Dubins方法的路径规划研究中，部分研究成果针对动态威胁区的单无人机路径规划问题，通过与威胁区做切线的方式设计了最短威胁规避路径的生成策略。部分研究成果基于微分几何思想提出了多无人机协同Dubins路径规划方法，但是在避障路径规划中，没有充分考虑路径的多样性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术不足，提供了一种多威胁环境下的协同路径规划方法，能够解决上述现有技术中的问题。
[0005]本专利技术的技术解决方案：一种多威胁环境下的协同路径规划方法，其中，该方法包括：
[0006]根据无人机集群中每架无人机的起点位置和终点位置规划所有可行的威胁规避路径；
[0007]根据期望路径长度，在每架无人机的可行的威胁规避路径中确定基础路径，并对所确定的基础路径进行优化调整，使优化后的基础路径的长度与期望路径长度的优化后长度误差最小，并将优化后长度误差从低到高排列的前n条优化后的基础路径作为优化路径集；
[0008]对每架无人机的优化路径集进行碰撞检测，并将检测到的无碰撞的优化路径作为协同路径。
[0009]优选地，根据无人机集群中每架无人机的起点位置和终点位置规划所有可行的威胁规避路径包括：
[0010]针对每架无人机生成起点位置到终点位置的多条路径；
[0011]检测多条路径是否与威胁圆相交；
[0012]如果存在与威胁圆不相交的路径，对安全抵达终点位置的路径进行筛选，并将筛选出的路径按照顺序重新编号存入数据库中；
[0013]如果多条路径均与威胁圆相交，则提取每条路径中遇到的第一个威胁圆，分别针对对应的第一个威胁圆规划多条切线路径；
[0014]检测多条切线路径是否与第一个威胁圆以外的其他威胁圆相交；
[0015]如果存在与其他威胁圆不相交的切线路径，对安全抵达终点位置的切线路径进行筛选，并将筛选出的切线路径按照顺序重新编号存入数据库中，结束路径规划流程；
[0016]如果多条切线路径均与其他威胁圆相交，则根据每条切线路径的起始圆弧半径和终止圆弧半径判断是否存在起点圆与终点圆相交；
[0017]如果存在起点圆与终点圆相交，对第一个威胁圆的半径进行压缩，并根据压缩后的第一个威胁圆重新执行路径规划。
[0018]优选地，通过下式根据每条切线路径的起始圆弧半径和终止圆弧半径判断是否存在起点圆与终点圆相交：
[0019][0020][0021][0022]其中，变量的后缀(i,j)代表第i段路径规划中第j条路径段，ρ
uav
代表无人机转弯半径，ρ
s
和ρ
f
分别代表起始圆弧半径和终止圆弧半径，ρ
st
和ρ
ft
分别代表起点位置的威胁圆半径和终点位置的威胁圆半径，(x
s
,y
s
)和(x
f
,y
f
)分别代表起点位置坐标和终点位置坐标，(x
cs
,y
cs
)和(x
cf
,y
cf
)分别代表起始圆弧中心坐标和终止圆弧中心坐标，如果存在不等式成立的情况，则表明起点圆与终点圆相交。
[0023]优选地，通过下式对第一个威胁圆的半径进行压缩：
[0024][0025]优选地，通过下式计算无人机的路径长度：
[0026][0027][0028]其中，L(n,k)代表第n架无人机的第k条路径长度，(x
ex
,y
ex
)和(x
en
,y
en
)分别代表起点圆飞出点坐标和终点圆飞入点坐标，ψ
Δs
和ψ
Δf
分别代表起始圆弧的弧度和终止圆弧的弧度，I(n,k)代表第n架无人机的第k条路径的路径段数量。
[0029]优选地，通过下式确定基础路径：
[0030][0031]其中，L
ref
代表期望路径长度，H代表长度误差，将最小长度误差对应的路径确定为基础路径。
[0032]优选地，对所确定的基础路径进行优化调整包括：
[0033]对所确定的基础路径的各个路径段的起点圆的半径增加第一增量，对所确定的基础路径的各个路径段的终点圆的半径增加第二增量，得到优化后的基础路径。
[0034]优选地，通过下式使优化后的基础路径的长度与期望路径长度的优化后长度误差最小：
[0035][0036][0037]其中，H
*
代表优化后长度误差，L*(n,k)代表优化后的基础路径长度，Δρ
s
(n,k,i)代表第一增量，Δρ
f
(n,k,i)代表第二增量，k
Δs
和k
Δf
分别代表起点圆半径增量系数和终点圆半径增量系数，且k
Δs
∈(0,1)，k
Δf
∈(0,1)。
[0038]优选地，利用粒子群算法计算第一增量和第二增量。
[0039]通过上述技术方案，可以使无人机集群在具有威胁规避功能的条件下，生成几乎等长的协同路径，使无人机集群在巡航突防末端满足一定的时空约束条件，为后续协同任务的顺利开展提供基础。此外，该方法计算量小、路径生成速度快、适合在线分布式计算，具有极大的实际应用价值。
附图说明
[0040]所包括的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本专利技术的实施例，并与文字描述一起来阐释本专利技术的原理。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。
[0041]图1为本专利技术实施例提供的一种多威胁环境下的协同路径规划方法的流程图；
[0042]图2为本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多威胁环境下的协同路径规划方法，其特征在于，该方法包括：根据无人机集群中每架无人机的起点位置和终点位置规划所有可行的威胁规避路径；根据期望路径长度，在每架无人机的可行的威胁规避路径中确定基础路径，并对所确定的基础路径进行优化调整，使优化后的基础路径的长度与期望路径长度的优化后长度误差最小，并将优化后长度误差从低到高排列的前Z条优化后的基础路径作为优化路径集；对每架无人机的优化路径集进行碰撞检测，并将检测到的无碰撞的优化路径作为协同路径。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据无人机集群中每架无人机的起点位置和终点位置规划所有可行的威胁规避路径包括：针对每架无人机生成起点位置到终点位置的多条路径；检测多条路径是否与威胁圆相交；如果存在与威胁圆不相交的路径，对安全抵达终点位置的路径进行筛选，并将筛选出的路径按照顺序重新编号存入数据库中；如果多条路径均与威胁圆相交，则提取每条路径中遇到的第一个威胁圆，分别针对对应的第一个威胁圆规划多条切线路径；检测多条切线路径是否与第一个威胁圆以外的其他威胁圆相交；如果存在与其他威胁圆不相交的切线路径，对安全抵达终点位置的切线路径进行筛选，并将筛选出的切线路径按照顺序重新编号存入数据库中，结束路径规划流程；如果多条切线路径均与其他威胁圆相交，则根据每条切线路径的起始圆弧半径和终止圆弧半径判断是否存在起点圆与终点圆相交；如果存在起点圆与终点圆相交，对第一个威胁圆的半径进行压缩，并根据压缩后的第一个威胁圆重新执行路径规划。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过下式根据每条切线路径的起始圆弧半径和终止圆弧半径判断是否存在起点圆与终点圆相交：点圆与终点圆相交：点圆与终点圆相交：其中，变量的后缀(i,j)代表第i段路径规划中第j条路径段，ρ
uav
代表无人机转弯半径，ρ
s
和ρ
f
分别代表起始圆弧半径和终止圆弧半径，ρ
st
和ρ
ft
分别代表起点位置的威胁圆半径和终点位置的威胁圆半径，(x
s
,y
s
)和(x
f
,y
f
)分别代表起点位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝明瑞，刘真畅，赵宏音，刘玉婷，司佳帅，
申请(专利权)人：北京机电工程研究所，
类型：发明
国别省市：