一种基于改进RRT算法的扑翼飞行器航路规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于改进RRT算法的扑翼飞行器航路规划方法，包括根据扑翼飞行器最大偏航角及最小步长约束条件对基本RRT随机采样方法进行调整，筛除不符合约束条件的采样点的同时导致航路规划效率降低，因此采用基于目标偏离角度的动态步长策略及目标启发策略以提高采样效率，最后对剪枝策略进行修改，提出基于最大偏航角的剪枝策略并通过三次B样条曲线对已规划航路进行拟合平滑处理。经过仿真及试验数据比对可得，本发明专利技术提出的改进RRT算法相较于基本RRT不仅满足扑翼飞行器飞行条件，而且规划效率更高，路线更具连续性及平稳性。路线更具连续性及平稳性。路线更具连续性及平稳性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进RRT算法的扑翼飞行器航路规划方法


[0001]本专利技术涉及扑翼飞行器
，具体涉及一种基于改进RRT算法的扑翼飞行器航路规划方法。

技术介绍

[0002]仿生扑翼飞行器独特的驱动原理和机构使其相较于固定翼及旋翼飞行器，具有隐蔽性好、飞行噪音低及便携性强等优点，因此其在执行军事侦察任务时具有显著优势。在军事侦察活动中，为实现扑翼飞行器自主飞行完成侦察任务，其航路规划至关重要。
[0003]目前针对传统机器人及机械臂路径规划问题已经提出过各种算法，如基于地图遍历的A*及Dijkstra等，基于概率采样的RRT、PRM等，以及基于人工智能算法的遗传算法、蚁群算法等。其中快速扩展随机树(RRT,Rapidly Exploring Random Tree)通过在地图中不断进行随机采样并与其最近点进行联系，直至采样到目标点，得到路径，该算法由于其规划原理存在较强的随机性，配合扑翼飞行器能够在执行侦察任务时实现高隐蔽性，有效提高任务完成率。
[0004]扑翼飞行器在飞行过程中由于最小转弯半径及最大俯仰角等问题，在进行航路规划时，需要考虑最大偏航角约束条件，且由于运动惯量及姿态调整延迟等问题，需要对RRT算法中最小步长进行约束，避免出现无法执行的操作。
[0005]传统RRT不仅无法满足扑翼飞行器最大偏航角及最小步长飞行约束条件，而且存在规划效率低、规划路径曲折、存在冗余路径等问题。为实现扑翼飞行器高效自主飞行完成军用侦察任务，设计一种满足扑翼飞行器飞行约束条件且具有一定随机性，同时又能高效完成航路规划并所规划航路进行简化及平滑处理，使其更符合扑翼飞行器飞行特征。
[0006]现有技术公开号为CN108563243B公开了一种基于改进RRT算法的无人机航迹规划方法，基于基本快速扩展随机树算法框架，引入转弯半径、转弯角、总航程约束条件，能够有效减少了规划空间内采样点密度，可用于无人机快速航迹规划，也可为其他飞行器进行快速航迹规划提供参考。现有技术公开号为CN109708640A公开了一种移动机器人的三维路径规划方法，对RRT算法扩展的约束条件以及新节点的接纳准则进行了改进，实现移动机器人的三维路径规划，具有很高的实用价值和推广价值。但是均并未在满足扑翼飞行器最大偏航角及最小步长约束条件的情况下对航路规划效率进行优化，无法满足扑翼飞行器军用侦察实时性高效率要求，且均未对所规划路径进行优化处理，存在路径冗余及路径曲折等问题。

技术实现思路

[0007]1.所要解决的技术问题：
[0008]针对上述技术问题，本专利技术提供一种基于改进RRT算法的扑翼飞行器航路规划方法，通过设定航路规划最大偏航角约束条件、最小步长约束条件解决传统RRT规划效率低的问题；并且基于最大偏航角的剪枝策略及三次B样条曲线拟合实现航路简化及平滑处理，解
决传统RRT规划路径曲折且不满足扑翼飞行器实际飞行条件等问题。
[0009]2.技术方案：
[0010]一种基于改进RRT算法的扑翼飞行器航路规划方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0011]步骤一：基于RRT算法进行初始化场景及变量；具体包括：初始化飞行器的飞行起点位置即参数起点X
init
、目标位置即目标点X
goal
、探索空间范围、最大迭代次数K、初始步长step以及距离阈值Thr、最大偏航角θ、最小步长step_min、目标启发变量i；
[0012]步骤二：判断是否满足探索条件；判断当前迭代次数是否大于所设定的最大迭代次数K，若是小于则继续执行步骤三，否则结束迭代并输出航路规划失败；
[0013]步骤三：根据目标启发策略进行随机采样获得采样点X
rand
，寻找该点邻近点X
near
及邻近点父节点X
parent
；
[0014]步骤四：判断采样点与邻近点的连线X
rand
X
near
与邻近点与父节点的连线X
near
X
parent
之间的偏航角γ是否满足最大偏航角θ约束要求，若是满足则继续执行步骤五，否则弃置该采样点，返回步骤二；
[0015]步骤五：求得邻近点与采样点的连线X
near
X
rand
与邻近点与目标点的连线X
near
X
goal
之间的夹角α，通过基于目标偏离角度的动态步长策略及最小步长约束生成节点X
new
；
[0016]步骤六：判断X
near
与X
new
连线是否与障碍物发生碰撞，若是没有发生碰撞则继续执行步骤七，否则返回步骤二；
[0017]步骤七：将新节点X
new
添加至探索树中，并将其与X
near
进行连接；
[0018]步骤八：判断新节点X
new
与目标点X
goal
之间的距离是否小于距离阈值Thr；若是小于则继续执行步骤九，否则返回步骤二；
[0019]步骤九：将新节点X
new
与目标点X
goal
进行连接并输出所有航路节点；
[0020]步骤十：通过基于最大偏航角的剪枝策略对已规划的航路进行简化处理；
[0021]步骤十一：通过三次B样条曲线拟合对已剪枝的航路进行平滑处理并输出最终航路。
[0022]进一步地，所述步骤三具体为：判断目标启发变量i(0<i<1)是否大于预设的阈值，若是i大于预设的阈值，则直接将目标点X
goal
作为采样点X
rand
，否则进行随机采样；检索探索树T中的所有点，寻找到采样点X
rand
的最近邻近点X
near
；然后检索探索树T中的所有点，寻找到最近邻近点X
near
除采样点X
rand
外的最近邻近点作为父节点X
parent
。
[0023]进一步地，步骤四具体包括：
[0024]S41：计算X
rand
X
near
与X
near
X
parent
之间的偏航角γ，如下公式：
[0025][0026]S42：比较偏航角γ与最大偏航角θ的大小；若偏航角γ小于最大偏航角θ则执行步骤五根据基于目标偏离角度的动态步长策略进行扩展得到新节点X
new
；若是偏航角γ在(π
‑
θ)～π范围内，则将初始步长更改为(
‑
step)执行步骤五从而降低筛除率，提高采样效率，若是夹角γ在θ～(π
‑
θ)范围，则将该采样点X
rand
筛除并返回步骤二。
[0027]进一步地，步骤五具体包括：
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进RRT算法的扑翼飞行器航路规划方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：基于RRT算法进行初始化场景及变量；具体包括：初始化飞行器的飞行起点位置即参数起点X
init
、目标位置即目标点X
goal
、探索空间范围、最大迭代次数K、初始步长step以及距离阈值Thr、最大偏航角θ、最小步长step_min、目标启发变量i；步骤二：判断是否满足探索条件；判断当前迭代次数是否大于所设定的最大迭代次数K，若是小于则继续执行步骤三，否则结束迭代并输出航路规划失败；步骤三：根据目标启发策略进行随机采样获得采样点X
rand
，寻找该点邻近点X
near
及邻近点父节点X
parent
；步骤四：判断采样点与邻近点的连线X
rand
X
near
与邻近点与父节点的连线X
near
X
parent
之间的偏航角γ是否满足最大偏航角θ约束要求，若是满足则继续执行步骤五，否则弃置该采样点，返回步骤二；步骤五：求得邻近点与采样点的连线X
near
X
rand
与邻近点与目标点的连线X
near
X
goal
之间的夹角α，通过基于目标偏离角度的动态步长策略及最小步长约束生成节点X
new
；步骤六：判断X
near
与X
new
连线是否与障碍物发生碰撞，若是没有发生碰撞则继续执行步骤七，否则返回步骤二；步骤七：将新节点X
new
添加至探索树中，并将其与X
near
进行连接；步骤八：判断新节点X
new
与目标点X
goal
之间的距离是否小于距离阈值Thr；若是小于则继续执行步骤九，否则返回步骤二；步骤九：将新节点X
new
与目标点X
goal
进行连接并输出所有航路节点；步骤十：通过基于最大偏航角的剪枝策略对已规划的航路进行简化处理；步骤十一：通过三次B样条曲线拟合对已剪枝的航路进行平滑处理并输出最终航路。2.根据权利要求1所述的一种基于改进RRT算法的扑翼飞行器航路规划方法，其特征在于：所述步骤三具体为：判断目标启发变量i(0<i<1)是否大于预设的阈值，若是i大于预设的阈值，则直接将目标点X
goal
作为采样点X
rand
，否则进行随机采样；检索探索树T中的所有点，寻找到采样点X
rand
的最近邻近点X
near
；然后检索探索树T中的所有点，寻找到最近邻近点X
near
除采样点X
rand
外的最近邻近点作为父节点X
parent
。3.根据权利要求2所述的一种基于改进RRT算法的扑翼飞行器航路规划方法，其特征在于：步骤四具体包括：S41：计算X
rand
X
near
与X
near
X
parent
之间的偏航角γ，如下公式：S42：比较偏航角γ与最大偏航角θ的大小；若偏航角γ小于...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈国军，林羊龙，陈巍，成丹果，李瑞雪，宋凯晨，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：