一种有效跟踪预设航线的无人机避障方法技术

本发明专利技术提出了一种有效跟踪预设航线的无人机避障方法，用于解决现有技术存在的航迹恢复速度较慢以及航迹偏离度较大的技术问题，实现步骤为：1)计算无人机的航迹恢复点坐标；2)定义航迹恢复转弯圆与威胁圆的内公切线方程；3)利用改进人工势场法规划无人机的避障段航迹；4)规划无人机的航迹恢复段航迹；5)获取无人机的避障结果。本发明专利技术将无人机的整个避障过程分为避障段航迹和航迹恢复段航迹分别进行规划，无人机可沿两段航迹依次飞行最后回到预设航线，提高了无人机的航迹恢复速度，降低了航迹偏离度，可用于无人机协同搜索、通信中继、灾害救援等领域。灾害救援等领域。灾害救援等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种有效跟踪预设航线的无人机避障方法


[0001]本专利技术属于无人机航迹规划
，涉及一种无人机避障方法，具体涉及一种有效跟踪预设航线的无人机避障方法，可用于无人机协同搜索、通信中继、灾害救援等领域。

技术介绍

[0002]目前，无人机因具有重量轻、体积小、功耗低、机动性强、成本低廉的优点，被广泛应用于协同搜索、通信中继、灾害救援等领域。在执行任务过程中，无人机极有可能与任务区域中的高山、禁飞区等障碍物发生碰撞，对无人机的安全问题造成威胁。所以，在对无人机进行从起始点到目标点的航迹规划时，必须考虑到环境中存在的障碍物是否会对无人机的预设飞行航线产生影响，进而对无人机进行避障航迹规划。无人机避障指的是根据无人机的机动性能约束以及任务环境中的障碍物位置及大小，逐点规划出一条避免与障碍物发生碰撞的理想航迹。在搜索场景中，无人机在执行搜索任务时会沿着直线预设航线对任务区域进行全覆盖巡航，遇到障碍物时需要进行避障，因此在避障规划方面不仅需要考虑无人机避障，而且在避障完成后要尽快回到预设航线继续巡航，即航迹恢复。如何提高无人机的航迹恢复速度，降低航迹偏离度对于实现无人机对预设航线的有效跟踪至关重要。
[0003]廖津余等人在其发表论文“结合预设航线的多旋翼无人机避障算法”(传感器与微系统，2017，36(8)：152
‑
154，157)中提出了一种结合预设航线的无人机避障方法。在该方法中，考虑到无人机按照预设航线飞行的任务需求，将线势场引入到传统人工势场法中，将无人机的避障与沿预设航线飞行进行结合，使无人机避障之后能够重回航线，实现对预设航线的跟踪。同时将引力势场函数与斥力势场函数进行改进，最终得到一条完整的无人机避障及航迹恢复路径。但其存在的不足之处在于：由于无人机在绕开障碍物后仅在线势场产生的虚拟力的牵引下逐渐回到预设航线，导致无人机航迹恢复的速度较慢，航迹偏离度较大。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种有效跟踪预设航线的无人机避障方法，用于解决现有技术中存在的仅通过线势场产生的虚拟力牵引无人机绕开障碍物后逐渐回到预设航线而导致的无人机航迹恢复速度较慢以及航迹偏离度较大的技术问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案包括如下步骤：
[0006](1)计算无人机的航迹恢复点坐标：
[0007](1a)初始化在平面直角坐标系xOy中无人机的最小转弯半径为r，机宽为2w，无人机从坐标为(x
s
,y
s
)的起始点S到坐标为(x
g
,y
g
)的目标点G所形成的直线航线为SG，SG与xOy中x轴的夹角为α；障碍物P的中心坐标为(x
p
,y
p
)，半径为R；威胁圆P'与障碍物P的中心坐标相同，半径为R+w；圆心为J半径为r的航迹恢复转弯圆位于威胁圆P'与直线航线SG形成交叉
的劣弧一侧，该航迹恢复转弯圆与SG、P'的切点分别为H、Q；威胁圆P'的圆心与航迹恢复转弯圆的圆心之间的连线与SG的交点为N；
[0008](1b)通过线段PN和JN的长度，以及SG与xOy中x轴的夹角α，计算无人机航迹恢复点H的坐标(x
H
,y
H
)；
[0009](2)定义航迹恢复转弯圆与威胁圆的内公切线方程：
[0010]定义以待代入的航迹点坐标(x,y)为未知数的航迹恢复转弯圆与威胁圆P'的内公切线l的方程为：
[0011]kx
‑
y+(y
Q
‑
kx
Q
)＝0
[0012][0013][0014][0015]其中，k表示航迹恢复转弯圆与威胁圆P'的内公切线l的斜率，(x
Q
,y
Q
)表示航迹恢复转弯圆与威胁圆P'的切点Q的坐标，(x
J
,y
J
)表示航迹恢复转弯圆的圆心J的坐标；
[0016](3)利用改进人工势场法规划无人机的避障段航迹：
[0017]将无人机的起始点S的坐标(x
s
,y
s
)代入l的直线方程中，计算起始点S与内公切线l的位置关系flag，并利用改进人工势场法，根据flag规划出包含K个航迹点的避障段航迹，其中：
[0018]flag＝kx
s
‑
y
s
+(y
Q
‑
kx
Q
)；
[0019](4)规划无人机的航迹恢复段航迹：
[0020]以避障段航迹中的每个航迹点作为起始点，以航迹恢复点H作为结束点所形成的航迹恢复段航迹作为规划的Dubins路径结果，并采用二分法，选取K个规划的Dubins路径结果中最优的Dubins路径结果作为航迹恢复段航迹；
[0021](5)获取无人机的避障结果：
[0022]无人机以直线航线SG为跟踪预设航线，从坐标为(x
s
,y
s
)的起始点S出发，沿避障段航迹飞行至航迹恢复段航迹的起始点后，继续沿航迹恢复段航迹飞行至H点，再沿SG飞行至目标点G，实现对障碍物P的规避。
[0023]本专利技术与现有技术相比具有如下优点：
[0024]1、本专利技术将无人机的整个避障过程分为避障段航迹和航迹恢复段航迹分别进行规划，无人机沿两段航迹依次飞行最后回到预设航线；在规划避障段航迹时采用了改进人工势场法，规划到与威胁圆和航迹恢复转弯圆的内公切线接触时停止，与现有技术相比，有效缩短了避障航迹长度，从而有效提高了航迹恢复速度，降低了航迹偏离度。
[0025]2、本专利技术在规划航迹恢复段航迹时以避障段航迹中的每个航迹点作为起始点，以
航迹恢复点作为结束点所形成的航迹恢复段航迹作为规划的Dubins路径结果，并采用二分法，从中选出最优的Dubins路径结果作为航迹恢复段航迹，克服了现有技术中无人机在绕开障碍物后仅在线势场产生的虚拟力的牵引下逐渐回到预设航线的问题，进一步缩短了避障航迹长度，从而进一步提高了航迹恢复速度，降低了航迹偏离度。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的实现流程图；
[0027]图2为本专利技术计算无人机的航迹恢复点坐标示意图；
[0028]图3为本专利技术利用改进人工势场法规划无人机的避障段航迹时所规划航迹点在势场中的受力关系示意图；
[0029]图4为本专利技术选取最优的Dubins路径结果作为航迹恢复段航迹示意图；
[0030]图5为本专利技术和现有技术所规划的避障航迹的对比图；
[0031]图6为本专利技术和现有技术的开始避障点与障碍物的距离、航迹恢复点与障碍物的距离及避障阶段的航迹长度的对比图；
[0032]图7为本专利技术和现有技术避障航迹的航迹偏离度对比图。
具体实施方式
[0033]以下结合附图和具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有效跟踪预设航线的无人机避障方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)计算无人机的航迹恢复点坐标：(1a)初始化在平面直角坐标系xOy中无人机的最小转弯半径为r，机宽为2w，无人机从坐标为(x
s
,y
s
)的起始点S到坐标为(x
g
,y
g
)的目标点G所形成的直线航线为SG，SG与xOy中x轴的夹角为α；障碍物P的中心坐标为(x
p
,y
p
)，半径为R；威胁圆P'与障碍物P的中心坐标相同，半径为R+w；圆心为J半径为r的航迹恢复转弯圆位于威胁圆P'与直线航线SG形成交叉的劣弧一侧，该航迹恢复转弯圆与SG、P'的切点分别为H、Q；威胁圆P'的圆心与航迹恢复转弯圆的圆心之间的连线与SG的交点为N；(1b)通过线段PN和JN的长度，以及SG与xOy中x轴的夹角α，计算无人机航迹恢复点H的坐标(x
H
,y
H
)；(2)定义航迹恢复转弯圆与威胁圆的内公切线方程：定义以待代入的航迹点坐标(x,y)为未知数的航迹恢复转弯圆与威胁圆P'的内公切线l的方程为：kx
‑
y+(y
Q
‑
kx
Q
)＝0)＝0)＝0其中，k表示航迹恢复转弯圆与威胁圆P'的内公切线l的斜率，(x
Q
,y
Q
)表示航迹恢复转弯圆与威胁圆P'的切点Q的坐标，(x
J
,y
J
)表示航迹恢复转弯圆的圆心J的坐标；(3)利用改进人工势场法规划无人机的避障段航迹：将无人机的起始点S的坐标(x
s
,y
s
)代入l的直线方程中，计算起始点S与内公切线l的位置关系flag，并利用改进人工势场法，根据flag规划出包含K个航迹点的避障段航迹，其中：flag＝kx
s
‑
y
s
+(y
Q
‑
kx
Q
)；(4)规划无人机的航迹恢复段航迹：以避障段航迹中的每个航迹点作为起始点，以航迹恢复点H作为结束点所形成的航迹恢复段航迹作为规划的Dubins路径结果，并采用二分法，选取K个规划的Dubins路径结果中最优的Dubins路径结果作为航迹恢复段航迹；(5)获取无人机的避障结果：无人机以直线航线SG为跟踪预设航线，从坐标为(x
s
,y
s
)的起始点S出发，沿避障段航迹飞行至航迹恢复段航迹的起始点后，继续沿航迹恢复段航迹飞行至H点，再沿SG飞行至目标点G，实现对障碍物P的规避。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1b...

【专利技术属性】
技术研发人员：马英红，李续楠，焦毅，刘勤，刘伟，张琰，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：