无人机间三维路径防碰撞方法技术

本发明专利技术公开了一种无人机间三维路径防碰撞方法，包括如下步骤：计算无人机个体之间的距离并根据所述距离统计每个无人机个体的邻居的数量；判断无人机个体与其邻居之间的距离是否等于平衡距离，若是，则保持所述无人机个体与其邻居速度一致，否则，判断无人机个体与其邻居之间距离是否大于平衡距离，若是，则计算无人机个体与其邻居的吸引力，否则，选择对应的信任度，并计算无人机个体与其邻居间的斥力；之后，根据无人机个体受到的邻居无人机个体的合力计算无人机个体的和加速度；最后，根据邻居无人机个体的速度改变实时调整无人机个体的速度，使无人机个体之间保持速度一致。该无人机间三维路径防碰撞方法，具有良好的可行性，可实现3维无人机群体防碰撞飞行。可实现3维无人机群体防碰撞飞行。可实现3维无人机群体防碰撞飞行。

【技术实现步骤摘要】
无人机间三维路径防碰撞方法


[0001]本专利技术属于集群智能
，特别提供了一种无人机间三维路径防碰撞方法。

技术介绍

[0002]无人机因具有移动灵活、无人为因素制约、制造成本低等优点而在军事、商业及民用等众多领域逐渐被广泛利用。随着通信、雷达及材料科学、能源科学等众多学科的发展，无人飞行器的各项性能均得到了大幅提升，其应用领域也不仅局限于侦查监测、监管操作，在应对各种灾害时能第一时间抵达现场，提供救援物资，保证移动通信的畅通。然而，一个无人机的能力是有限的，在某些特定工作环境下仅靠单个无人机是无法完成大规模操作任务，这时需要依靠无人机集群的协同配合来完成特定应用场景下的特定指令操作。
[0003]无人机集群协同飞行是无人机协同执行任务的基础，也是在复杂环境中执行集群突防、分布探测和分布打击等任务的基本单元。在无人机集群协同飞行中，无人机数量多，飞行速度快，所以防止机间碰撞，以达到无人机集群顺利完成任务是无人机飞行需要解决的基本问题。

技术实现思路

[0004]鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种无人机间三维路径防碰撞方法，以解决现有存在的问题。
[0005]本专利技术提供了一种无人机间三维路径防碰撞方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1：计算无人机个体之间的距离并根据所述距离统计每个无人机个体的邻居的数量；
[0007]步骤2：判断无人机个体与其邻居之间的距离是否等于平衡距离，若是，则保持所述无人机个体与其邻居速度一致，否则，执行步骤3；
[0008]步骤3：判断无人机个体与其邻居之间距离是否大于平衡距离，若无人机个体i与其邻居无人机个体j之间的距离大于平衡距离，则利用公式(1)计算两架无人机个体间的吸引力，若无人机个体i与其邻居无人机个体j之间的距离小于平衡距离，则选择对应的信任度R，并利用公式(2)计算两架无人机个体间的斥力；
[0009][0010]式中，F
ij2
为无人机个体i与其邻居无人机个体j间的引力，c2为引力系数，(x
i
,y
i
,z
i
)表示无人机个体i的位置，(x
j
,y
j
,z
j
)表示无人机个体j的位置，Δx＝x
i
‑
x
j
，Δy＝y
i
‑
y
j
，Δz＝z
i
‑
z
j
，d表示无人机个体i与其邻居无人机个体j之间的实际距离，
[0011][0012]式中，F
ij1
为无人机个体i与其邻居无人机个体j间的斥力，c1为斥力系数，(x
i
,y
i
,z
i
)表示无人机个体i的位置，(x
j
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j
,z
j
)表示无人机个体j的位置，Δx＝x
i
‑
x
j
，Δy＝y
i
‑
y
j
，Δz＝z
i
‑
z
j
，d表示无人机个体i与其邻居无人机个体j之间的实际距离，R为信任度，随无人机个体i与其邻居无人机个体j之间的实际距离d的增大而减小；
[0013]步骤4：根据无人机个体受到的邻居无人机个体的合力计算无人机个体的和加速度
[0014]步骤5：调整无人机个体的位置和速度，实现3维无人机群体防碰撞飞行，其中，无人机个体i的运动迭代公式如下：
[0015][0016]式中，表示无人机个体i下一时刻的位置向量，表示无人机个体i当前时刻的位置向量，表示无人机个体i当前时刻的速度，表示无人机个体i当前时刻的加速度，Δt表示时间步长，表示无人机个体i下一时刻的速度，表示无人机个体i的和加速度，为速度一致原则引起的无人机个体i的加速度，N
j
表示无人机个体i周围邻居无人机个体的数量，表示无人机个体i的速度，表示无人机个体i的邻居无人机个体j的速度。
[0017]优选，步骤3中，信任度R与无人机个体i与其邻居无人机个体j之间的实际距离的关系如下：
[0018][0019]进一步优选，步骤4中，无人机个体i受到的邻居无人机个体的合力表示如下：
[0020][0021]其中，表示无人机个体i受到的邻居无人机个体的合力，F
ij
表示无人机个体i受到的邻居无人机个体j的引力或斥力，为无人机个体i与其邻居无人机个体j的相对位置向量方向的单位向量，表示无人机个体i与其邻居无人机个体j的相对位置向量，表示无人机个体i的位置向量，表示无人机个体j的位置向量，表示无人机个体i的速度，表示无人机个体i的加速度，表示无人机个体j的速度、表示无人机个体j的加速度。
[0022]进一步优选，步骤4中，无人机个体i的和加速度如下：
[0023][0024]式中，表示无人机个体i受到的邻居无人机个体的合力，m表示无人机个体i的质量。
[0025]本专利技术提供的无人机间三维路径防碰撞方法，基于Boid模型，使用人工势场法，对每一架无人机周围附加一个势场，实现对多无人机三维避障飞行路径的调整，并在势函数中引入了信任度，使无人机在防止互相碰撞的过程中更加平稳，能够实现无人机在飞行过程中防碰撞。
附图说明
[0026]下面结合附图及实施方式对本专利技术作进一步详细的说明：
[0027]图1为本专利技术提供的无人机间三维路径防碰撞方法的流程图；
[0028]图2为10架无人机随机生成的初始位置图；
[0029]图3为10架无人机经过25次迭代后的位置图；
[0030]图4为10架无人机经过50次迭代后的位置图；
[0031]图5为10架无人机经过100次迭代后的位置图；
[0032]图6为20架无人机随机生成的初始位置图；
[0033]图7为20架无人机经过25次迭代后的位置图；
[0034]图8为20架无人机经过50次迭代后的位置图；
[0035]图9为20架无人机经过100次迭代后的位置图。
具体实施方式
[0036]下面将结合具体的实施方案对本专利技术专利进行进一步的解释，但不局限本专利技术专利。
[0037]如图1所示，本专利技术提供了一种无人机间三维路径防碰撞方法，包括如下步骤：
[0038]步骤1：计算无人机个体之间的距离并根据所述距离统计每个无人机个体的邻居的数量；
[0039]步骤2：判断无人机个体与其邻居之间的距离是否等于平衡距离，若是，则保持所述无人机个体与其邻居速度一致，否则，执行步骤3；
[0040]步骤3：判断无人机个体与其邻居之间距离是否大于平衡距离，若无人机个体i与其邻居无人机个体j之间的距离大于平衡距离，则利用公式(1)计算两架无人机个体间的吸引力，若无人机个体i与其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.无人机间三维路径防碰撞方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：计算无人机个体之间的距离并根据所述距离统计每个无人机个体的邻居的数量；步骤2：判断无人机个体与其邻居之间的距离是否等于平衡距离，若是，则保持所述无人机个体与其邻居速度一致，否则，执行步骤3；步骤3：判断无人机个体与其邻居之间距离是否大于平衡距离，若无人机个体i与其邻居无人机个体j之间的距离大于平衡距离，则利用公式(1)计算两架无人机个体间的吸引力，若无人机个体i与其邻居无人机个体j之间的距离小于平衡距离，则选择对应的信任度R，并利用公式(2)计算两架无人机个体间的斥力；式中，F
ij2
为无人机个体i与其邻居无人机个体j间的引力，c2为引力系数，(x
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)表示无人机个体j的位置，Δx＝x
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，d表示无人机个体i与其邻居无人机个体j之间的实际距离，，d表示无人机个体i与其邻居无人机个体j之间的实际距离，式中，F
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为无人机个体i与其邻居无人机个体j间的斥力，c1为斥力系数，(x
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)表示无人机个体i的位置，(x
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)表示无人机个体j的位置，Δx＝x
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【专利技术属性】
技术研发人员：申海，李达哲，赵霞，林雨奇，
申请(专利权)人：沈阳师范大学，
类型：发明
国别省市：