一種飛行速度限制下的無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃方法
【專利摘要】一種飛行速度限制下的無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃方法：預(yù)先確定無(wú)人飛行器的飛行環(huán)境及無(wú)人飛行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；設(shè)計(jì)無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃系統(tǒng)，包括：設(shè)計(jì)無(wú)人飛行器在飛行區(qū)域內(nèi)的勢(shì)能分布函數(shù)，設(shè)計(jì)無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃算法，使無(wú)人飛行器繞開(kāi)障礙物達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)并保持合理的飛行速度，分析無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃算法的穩(wěn)定性和理論根據(jù)。本發(fā)明規(guī)劃全程速度變化平穩(wěn)，大部分時(shí)間保持恒定速度飛行，使無(wú)人飛行器底層控制的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)化。能夠調(diào)節(jié)κ足夠大，使得無(wú)人飛行器的收斂范圍增大，消除局部最小值點(diǎn)，并能保持無(wú)人飛行器起始速度在允許范圍內(nèi)。無(wú)人飛行器到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的飛行時(shí)間相較其他算法更短。
【專利說(shuō)明】一種飛行速度限制下的無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃方法。特別是涉及一種在受到飛行速度物理限制的情況下進(jìn)行避障并達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的飛行速度限制下的無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無(wú)人機(jī)的航跡規(guī)劃是指在特定約束條件下，根據(jù)任務(wù)需要，由起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃出一條滿足約束條件的最優(yōu)飛行軌跡。根據(jù)任務(wù)性能指標(biāo)的不同，無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃算法也有不同的要求。(期刊:航空計(jì)算技術(shù)；著者:唐強(qiáng)，張翔倫，左玲；出版時(shí)間:2003年；文章題目:無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃算法的初步研究；頁(yè)碼:125-128)
[0003]自20世紀(jì)80年代以來(lái)，美國(guó)等軍事發(fā)達(dá)國(guó)家率先在軍事領(lǐng)域進(jìn)行無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的研究。任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中首次被使用，并為軍隊(duì)的成功作戰(zhàn)做出很大的貢獻(xiàn)，在之后的阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)和伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍更廣泛的使用了任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，為快速的戰(zhàn)斗行動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。美軍在近年來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)中應(yīng)用無(wú)人機(jī)取得了較為成功的應(yīng)用，也使美國(guó)在無(wú)人飛行器方面的研究處于世界領(lǐng)先地位，其他國(guó)家也逐漸加入了研究行列。無(wú)人機(jī)無(wú)人駕駛的特點(diǎn)要求任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)無(wú)人機(jī)自主控制的能力。任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如(圖1)所示，分為以下幾個(gè)部分，包括信息融合、威脅建模、態(tài)勢(shì)估計(jì)、以及航跡規(guī)劃等。其中信息融合部分主要是對(duì)無(wú)人機(jī)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理；威脅建模部分是對(duì)飛行環(huán)境中的威脅因素進(jìn)行建模；態(tài)勢(shì)估計(jì)部分是對(duì)變化的環(huán)境進(jìn)行估計(jì)，以便做出決策；航跡規(guī)劃部分是無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，根據(jù)對(duì)環(huán)境的分析，為無(wú)人機(jī)規(guī)劃出可行的路線。
[0004]在無(wú)人機(jī)的航跡規(guī)劃過(guò)程中，需要考慮無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中受到各個(gè)因素的影響，在各個(gè)因素的相互耦合的情況下，使規(guī)劃的航跡滿足環(huán)境中的各種約束條件，從而使無(wú)人機(jī)以符合自身動(dòng)力性能的飛行狀態(tài)完成任務(wù)。下面分別列出航跡規(guī)劃過(guò)程中的考慮因素。
[0005]1、為保證無(wú)人機(jī)能夠順利完成飛行任務(wù)，無(wú)人機(jī)的飛行的安全性需要放在首位。尤其在戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境中，設(shè)計(jì)一條具有良好隱蔽性的飛行航跡十分關(guān)鍵，可以大大提高無(wú)人機(jī)的生存能力。通?？紤]的隱蔽方式是使規(guī)劃遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，比如盡量減小被雷達(dá)探測(cè)到的概率。
[0006]2、軌跡規(guī)劃時(shí)，需考慮到無(wú)人機(jī)本身的物理限制，否則無(wú)人機(jī)將不能按預(yù)定生成的航線飛行。限制因素包括無(wú)人機(jī)的最大運(yùn)行速度、最大轉(zhuǎn)角、最大爬升/俯沖角、最低飛行速度等。
[0007]3、無(wú)人機(jī)的飛行是為了完成特定的任務(wù)，因此，在具體的任務(wù)條件下，需要考慮無(wú)人機(jī)的最大飛行距離，以保證燃料的供應(yīng)；無(wú)人機(jī)的到達(dá)時(shí)間，以保證及時(shí)獲取需要的信息；考慮無(wú)人機(jī)的進(jìn)攻方向，以保證對(duì)目標(biāo)的最薄弱部位進(jìn)行有效的攻擊。
[0008]4、對(duì)于瞬息萬(wàn)變的環(huán)境，無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，不一定在預(yù)先的地面站上規(guī)劃出滿足環(huán)境要求的航線，因此需要具備在線規(guī)劃的能力。[0009]5、無(wú)人機(jī)的協(xié)作能力也是需要考慮的因素之一，對(duì)于需要多無(wú)人機(jī)協(xié)調(diào)完成任務(wù)的情況下，若其中的一架或多架無(wú)人機(jī)受到威脅而必須更改路徑或延遲到達(dá)時(shí)間，此時(shí)其他無(wú)人機(jī)也必須做出調(diào)整，使整個(gè)飛行編隊(duì)在規(guī)劃過(guò)程中相互協(xié)調(diào)，完成指定任務(wù)。
[0010]近年來(lái)，為解決無(wú)人機(jī)的航跡規(guī)劃問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已提出了很多的航跡規(guī)劃算法，主要分為全局規(guī)劃算法和局部規(guī)劃算法。全局規(guī)劃算法有啟發(fā)式A*搜索算法、遺傳算法、基于Voronoi圖的航跡規(guī)劃算法等。
[0011]啟發(fā)式A*搜索算法是利用啟發(fā)信息來(lái)引導(dǎo)搜索，通過(guò)定義評(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)估計(jì)各路徑之間的代價(jià)，來(lái)減小搜索的范圍，從而降低復(fù)雜度(會(huì)議:the Ninth InternationalConference on Electronic Measurement and Instruments ;著者:X.Li and J.Xie andΜ.Y.Cai ;出版時(shí)間:2009 年；文章題目:Path Planning for UAV Based on ImprovedHeuristic A*Algorithm ;頁(yè)碼:3488-3493);遺傳算法是通過(guò)模仿生物遺傳特性來(lái)描述飛行航線，并借助復(fù)制、雜交、變異等操作，將要解決的問(wèn)題從初始解逼近于最優(yōu)解，因此所得路徑較為平滑，滿足于無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)特性，但缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生早熟現(xiàn)象而不能得到最優(yōu)解(會(huì)議:the31th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society ;著者:Y.H.Qu and Q.Pan and J.G.Yan ;出版時(shí)間:2009 年；文章題目:Flight Path Planningof UAV Based on Heuristically Search and Genetic Algorithms ;頁(yè)石馬:45-49);基于Voronoi圖的航跡規(guī)劃算法是通過(guò)環(huán)境中的威脅分布來(lái)構(gòu)建Voronoi圖,通過(guò)搜索Voronoi圖來(lái)選擇航線，并且這種方法也被應(yīng)用于多無(wú)人機(jī)的航跡規(guī)劃中(期刊:IEEE Roboticsand Automation Magazine ；著者:P.Bhattacharya and M.L.Gavrilova ；出版時(shí)間:2008 年；文章題目:Roadmap-Based Path Planning-Using the Voronoi Diagram for aClearance-Based Shortest Path ;頁(yè)碼:58_66)。
[0012]局部規(guī)劃算法主要包括基于勢(shì)能函數(shù)的規(guī)劃算法?；趧?shì)能函數(shù)(ArtificialPotential Function)的航跡規(guī)劃算法的基本思想,是在一個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)，構(gòu)建一個(gè)勢(shì)能場(chǎng)，場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)具有吸引勢(shì)場(chǎng)，障礙物具有排斥勢(shì)場(chǎng)，場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)物體在勢(shì)能作用下最終避開(kāi)障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。S.S.Ge和Y.J.Cui就目標(biāo)點(diǎn)與障礙物距離近而使機(jī)器人無(wú)法到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，通過(guò)改進(jìn)的勢(shì)能函數(shù)，使移動(dòng)機(jī)器人能貼近障礙物行走最后至丨J達(dá)目標(biāo)點(diǎn)(期干lJ:1EEE Transactions on Robotics and Automation ;著者:S.S.Ge、Y.J.Cui ;出版時(shí)間:2000 年；文章題目:New Potential Functions for Mobile RobotPath Planning ;頁(yè)碼:615-620) ；C.T.Cai, C.S.Yang 和 Q.D.Zhu 針對(duì)于多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)作和避障功能，提出了一種基于視覺(jué)的避障算法。同時(shí)需要指出的是，基于勢(shì)能函數(shù)的航跡規(guī)劃存在的一個(gè)問(wèn)題是可能出現(xiàn)局部極小值，這樣會(huì)使無(wú)人機(jī)在沒(méi)有到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的情況下停止前進(jìn)(會(huì)議:the2007IEEE International Conference on Mechatronicsand Automation ;著者:C.T.Ca1、C.S.Yang 和 Q.D.Zhu ;出版時(shí)間:2007 年；文章題目:Collision Avoidance in Mult1-Robot Systems ;頁(yè)碼:2795_2800)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種能夠有效地在速度有限的情況下縮短了無(wú)人機(jī)飛行器到達(dá)目的地的飛行時(shí)間，擴(kuò)大了無(wú)人飛行器的局部收斂范圍的一種飛行速度限制下的無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃方法。[0014]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種飛行速度限制下的無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃方法，包括如下步驟:
[0015]I)預(yù)先確定無(wú)人飛行器的飛行環(huán)境及無(wú)人飛行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；
[0016]2)設(shè)計(jì)無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃系統(tǒng)，包括:
[0017](I)設(shè)計(jì)無(wú)人飛行器在飛行區(qū)域內(nèi)的勢(shì)能分布函數(shù)；
[0018](2)設(shè)計(jì)無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃算法，使無(wú)人飛行器繞開(kāi)障礙物達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)并保持合理的飛行速度；
[0019](3)分析無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃算法的穩(wěn)定性和理論根據(jù)；
[0020]步驟I)所述的無(wú)人飛行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是:
[0021]q = u
[0022]其中，q=[x，y]T代表無(wú)人飛行器的飛行位置的橫縱坐標(biāo)，U代表無(wú)人飛行器的輸入，即飛行器的飛行速度。
[0023]步驟I)所述的飛行環(huán)境基于以下假設(shè):無(wú)人飛行器的飛行區(qū)域范圍已知；飛行區(qū)域內(nèi)的障礙物的位置和大小已知；無(wú)人飛行器看作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，所述的無(wú)人飛行器的跟蹤目標(biāo)點(diǎn)為qd= [xd, yJT。
[0024]步驟2)所述的無(wú)人飛行器在飛行區(qū)域內(nèi)的勢(shì)能分布函數(shù)包括:
[0025]首先定義障礙物函數(shù)β i (X，y)，i=l, 2，...，η為:
[0026]
【權(quán)利要求】
1.一種飛行速度限制下的無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)預(yù)先確定無(wú)人飛行器的飛行環(huán)境及無(wú)人飛行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型； 2)設(shè)計(jì)無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃系統(tǒng)，包括: (O設(shè)計(jì)無(wú)人飛行器在飛行區(qū)域內(nèi)的勢(shì)能分布函數(shù)； (2)設(shè)計(jì)無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃算法，使無(wú)人飛行器繞開(kāi)障礙物達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)并保持合理的飛行速度； (3)分析無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃算法的穩(wěn)定性和理論根據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛行速度限制下的無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃方法，其特征在于，步驟I)所述的無(wú)人飛行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是:



3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛行速度限制下的無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃方法，其特征在于，步驟I)所述的飛行環(huán)境基于以下假設(shè):無(wú)人飛行器的飛行區(qū)域范圍已知；飛行區(qū)域內(nèi)的障礙物的位置和大小已知；無(wú)人飛行器看作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，所述的無(wú)人飛行器的跟蹤目標(biāo)點(diǎn)為 qd= [xd, yd]τ°
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛行速度限制下的無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃方法，其特征在于，步驟2)所述的無(wú)人飛行器在飛行區(qū)域內(nèi)的勢(shì)能分布函數(shù)包括: 首先定義障礙物函數(shù)β i (X，y)，i=l, 2，...，η為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛行速度限制下的無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃方法，其特征在于，步驟2)所述的無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃算法即是無(wú)人飛行器的期望飛行速度U，為:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛行速度限制下的無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃方法，其特征在于，步驟2)所述的分析無(wú)人飛行器航跡規(guī)劃算法的穩(wěn)定性和理論根據(jù)包括:引理1:設(shè)ΦΑ —R是[O，-)上的一致連續(xù)函數(shù)，假設(shè)
【文檔編號(hào)】G05D1/00GK103592941SQ201310530706
【公開(kāi)日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】鮮斌, 張垚, 趙婷婷 申請(qǐng)人:天津大學(xué)