一种无人机集群的轨迹规划方法、装置和系统制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种无人机集群的轨迹规划方法、装置和系统。方法包括：接收无人机集群的编队队形，通过拉普拉斯矩阵表示编队队形；从拉普拉斯矩阵中获取每个无人机的起点和目标点，基于轨迹规划算法为每个无人机规划一条初始无碰撞路径，对初始无碰撞路径进行轨迹优化，获得优化无碰撞路径，轨迹优化包括平滑度优化、优化前后差异性优化和连续性优化；对每个无人机构建与其他无人机之间的避障目标函数，基于避障目标函数对优化无碰撞路径进行轨迹优化，得到每个无人机的最终无碰撞路径。本发明专利技术在考虑外部障碍、无人机之间障碍的情况下，提出基于轨迹优化的无人机集群的轨迹规划方法，根据该方法规划的轨迹与障碍物无碰撞且光滑可用。光滑可用。光滑可用。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机集群的轨迹规划方法、装置和系统


[0001]本专利技术主要涉及飞行器控制领域，尤其涉及一种无人机集群的轨迹规划方法、装置和系统。

技术介绍

[0002]单架无人机不能满足复杂的任务需求，可以完成的任务非常有限。例如，当面对大范围的搜索任务时，单架无人机很难有效地覆盖整个监视区域；在战斗中执行打击任务时，单架无人机的命中半径和攻击能力等许多方面都有很大的局限性，因此任务的成功率会大大降低，总体来说，单架无人机执行任务时在保障自身安全、大范围搜索探测、战场精准打击、抗干扰和有效载荷等方面具有较大的局限性。
[0003]现有技术方案提出了一种基于速度障碍物(Velocity Obstacle,VO)的无人机集群的轨迹规划方法，该方法可以实现多无人机的相互避免碰撞。然而，基于速度障碍物的方法无法保证生成的轨迹的平滑性，这严重影响了无人机轨迹规划的可用性。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是提供一种无人机集群的轨迹规划方法、装置和系统，解决现有技术方案规划的无人机集群的轨迹可用性低的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种无人机集群的轨迹规划方法，包括如下步骤：接收无人机集群的编队队形，通过拉普拉斯矩阵表示所述编队队形；从所述拉普拉斯矩阵中获取每个无人机的起点和目标点，基于轨迹规划算法为每个无人机规划一条初始无碰撞路径，对所述初始无碰撞路径进行轨迹优化，获得优化无碰撞路径，所述轨迹优化包括平滑度优化、优化前后差异性优化和连续性优化；对每个无人机构建与其他无人机之间的避障目标函数，基于所述避障目标函数对所述优化无碰撞路径进行轨迹优化，得到每个无人机的最终无碰撞路径。
[0006]可选地，通过拉普拉斯矩阵表示所述编队队形包括：根据所述编队队形构建无向图，其中所述无向图的顶点表示单个无人机，所述无向图的边表示两个无人机之间的几何距离；根据所述无向图的邻接矩阵和度矩阵构建拉普拉斯矩阵。
[0007]可选地，基于轨迹规划算法为每个无人机规划一条初始无碰撞路径：基于轨迹规划算法为每个无人机规划一条不考虑障碍物的从所述起点到所述目标点的最优路径；判断所述最优路径是否穿过障碍物，如果是，则通过做射线方法获取障碍物外侧的顶点，连接所述起点、所述顶点和所述目标点构成初始无碰撞路径。
[0008]可选地，通过做射线方法获取障碍物外侧的顶点包括：获取所述最优路径穿过障碍物的位置点，在位置点连线的中点作垂直线，从所述中点开始沿所述垂直线的两端方向寻找无障碍物的网格，将所述无障碍物的网格作为所述障碍物外侧的顶点。
[0009]可选地，对所述初始无碰撞路径进行轨迹优化包括：构建所述初始无碰撞路径的第一优化问题，对所述第一优化问题进行优化，其中通过如下公式表示所述第一优化问题：
[0010]Q＝arg min J＝λ
s
J
s
+λ
h
J
h
+λ
c
J
c
[0011]其中，Q为所述优化问题，J
s
为平滑度，J
h
为优化前后差异性，J
c
为连续性，λ
s
,λ
h
,λ
c
分别为各项的权重。
[0012]可选地，所述优化前后差异性为优化轨迹与原始轨迹点之间的平方差的积分。
[0013]可选地，所述连续性为所述初始无碰撞路径的路径段之间的加速度的平方差。
[0014]可选地，基于所述避障目标函数对所述优化无碰撞路径进行轨迹优化包括：将所述避障目标函数加入所述第一优化问题构成第二优化问题，对所述第二优化问题进行优化。
[0015]可选地，对每个无人机构建与其他无人机之间的避障目标函数包括：接收其他无人机在同一时刻的第一轨迹，计算所述优化无碰撞路径与所述第一轨迹的距离差值，根据所述距离差值构建所述避障目标函数。
[0016]可选地，所述避障目标函数表示为如下形式：
[0017][0018]其中J
f,k
为所述避障目标函数，d
k,i
(t)为无人机k与其他无人机i之间的距离差值。
[0019]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种无人机集群，无人机集群包括多个无人机，每个无人机包括轨迹规划单元，其中所述轨迹规划单元用于接收无人机集群的编队队形，通过拉普拉斯矩阵表示所述编队队形，从所述拉普拉斯矩阵中获取无人机的起点和目标点，基于轨迹规划算法为所述无人机规划一条初始无碰撞路径，对所述初始无碰撞路径进行轨迹优化，获得优化无碰撞路径，所述轨迹优化包括平滑度优化、优化前后差异性优化和连续性优化，对所述无人机构建与其他无人机之间的避障目标函数，基于所述避障目标函数对所述优化无碰撞路径进行轨迹优化，得到所述无人机的最终无碰撞路径。
[0020]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种无人机集群的轨迹规划系统，包括：无人机集群；广播单元，用于接收无人机的最终无碰撞路径并将所述最终无碰撞路径作为第一轨迹广播发送给其他无人机；顺序单元，用于设置无人机集群内各个无人机启动轨迹规划的顺序。
[0021]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0022]本专利技术的人机集群的轨迹规划方法首先考虑了无人机集群外部障碍物，为每个无人机规划一条初始无碰撞路径，然后对初始无碰撞路径进行轨迹优化获得优化无碰撞路径，其中轨迹优化包括平滑度优化、优化前后差异性优化和连续性优化，之后考虑了无人机之间的障碍，通过避障目标函数对优化无碰撞路径进行调整得到最终无碰撞路径，根据该方法规划的无人机集群的轨迹与障碍物无碰撞且光滑可用。
附图说明
[0023]包括附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本专利技术原理的作用。附图中：
[0024]图1是根据本专利技术一实施例的无人机集群的轨迹规划方法的流程图。
[0025]图2是根据本专利技术一实施例的初始无碰撞路径生成示意图。
[0026]图3是根据本专利技术一实施例的仿真编队飞行中规划路径图。
[0027]图4是根据本专利技术一实施例的无人机集群的系统框图。
[0028]图5是根据本专利技术一实施例的无人机集群的轨迹规划系统的框图。
具体实施方式
[0029]为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
[0030]如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机集群的轨迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤：接收无人机集群的编队队形，通过拉普拉斯矩阵表示所述编队队形；从所述拉普拉斯矩阵中获取每个无人机的起点和目标点，基于轨迹规划算法为每个无人机规划一条初始无碰撞路径；对所述初始无碰撞路径进行轨迹优化，获得优化无碰撞路径，所述轨迹优化包括平滑度优化、优化前后差异性优化和连续性优化；对每个无人机构建与其他无人机之间的避障目标函数，基于所述避障目标函数对所述优化无碰撞路径进行轨迹优化，得到每个无人机的最终无碰撞路径。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过拉普拉斯矩阵表示所述编队队形包括：根据所述编队队形构建无向图，其中所述无向图的顶点表示单个无人机，所述无向图的边表示两个无人机之间的几何距离；根据所述无向图的邻接矩阵和度矩阵构建拉普拉斯矩阵。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于轨迹规划算法为每个无人机规划一条初始无碰撞路径：基于轨迹规划算法为每个无人机规划一条不考虑障碍物的从所述起点到所述目标点的最优路径；判断所述最优路径是否穿过障碍物，如果是，则通过做射线方法获取障碍物外侧的顶点，连接所述起点、所述顶点和所述目标点构成初始无碰撞路径。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过做射线方法获取障碍物外侧的顶点包括：获取所述最优路径穿过障碍物的位置点，在位置点连线的中点作垂直线，从所述中点开始沿所述垂直线的两端方向寻找无障碍物的网格，将所述无障碍物的网格作为所述障碍物外侧的顶点。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述初始无碰撞路径进行轨迹优化包括：构建所述初始无碰撞路径的第一优化问题，对所述第一优化问题进行优化，其中通过如下公式表示所述第一优化问题：Q＝argminJ＝λ
s
J
s
+λ
h
J
h
+λ
c
J
c
其中，Q为所述优化问题，J
s
为平滑度，J
h
为优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐漾，杜文莉，钱锋，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：