[发明专利]一种基于鸽子被动式避障飞行的无人机避障导引方法

说明书

本发明是一种基于鸽子被动式避障飞行的无人机避障导引方法，其实现步骤为：步骤一：初始化；步骤二：感知并检测障碍；步骤三：制定避障策略；步骤四：航向导引；步骤五：航向控制；步骤六：更新飞行状态；步骤七：判断是否结束仿真。该方法旨在提供一种在线的无人机避障导引方法，在提高无人机环境适应性的同时，降低无人机单机计算负载，从而有效提高复杂动态任务环境下的无人机自主能力水平。

技术领域

本发明涉及一种基于鸽子被动式避障飞行的无人机避障导引方法，属于无人机控制领域。

背景技术

无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)是一种由自身程序控制或者由无线电遥控的，用来执行特定任务的无人驾驶飞行器，具备机动性强、风险性低、成本较低、可靠性高、适应性强、应用领域广等特质。

由于无人机任务环境往往动态复杂，包含大量不确定、不完全的信息，为提高无人机飞行安全，避障系统开始被广泛运用在无人机上。机上避障系统除依赖传感器技术、图像处理技术获得任务区域内最新的环境信息外，还需要无人机避障导引方法帮助机组人员或作战任务规划人员为执行任务的无人机选择具有最低损耗危险通过任务区域的航路，因此设计合理高效的无人机避障导引方法至关重要。本发明旨在通过设计一种无人机避障导引方法，提高无人机环境适应性等自主能力，使其可以较低的载荷配置高效完成相对复杂的任务。

目前，常见的无人机避障导引方法主要包括基于采样法、基于节点法、基于数学模型法以及进化算法等。其中，基于采样法包括Voronoi图法、概率路标图法、快速扩展随机树法、人工势场法等，均需要预先获知任务区域内的完整障碍信息，无法适应复杂动态的任务环境。基于节点法包括Dijsktra算法、A*算法等，均是基于栅格地图进行启发式搜索，而为生成精确的可行导引航迹，栅格划分应尽可能小，且考虑的邻域应尽可能大，但单机计算负载也随之增大，算法收敛时间也随之变长。基于数学模型法是通过分段线性化和整数规划方法将无人机避障导引问题转化成一个规范的数学问题，进化算法是将无人机避障导引问题转化成一个在约束条件下寻找最优解的组合优化问题，由于二者的计算复杂度过大，因此不适用于在线无人机避障导引。本发明针对现有无人机避障导引方法在环境适应性、收敛时间以及计算复杂度等方面的不足，基于鸽子被动式避障飞行设计了一种在线的无人机避障导引方法。

在自然环境中移动的动物往往需要避开活动路径上的障碍，当其以较高的速度运动时，避障变得十分困难，但自然界中的鸽子进化出了相应的避障能力以实现安全飞行。鸽子避障飞行不是预先规划好的，而是一种被动的反应。鸽子在感知到障碍物后，会立刻调整飞行方向，其往往倾向于尽可能穿过障碍之间最宽敞的空隙，而不是以最小化路程为原则调整飞行方向。鉴于鸽子避障飞行中所体现的被动式、快速性和简单性等特点与无人机避障导引中的环境适应性、收敛时间和计算复杂度等要求有着紧密的契合之处，本发明提出了一种基于鸽子被动式避障飞行的无人机避障导引方法，以解决现有无人机避障导引方法在自主能力以及单机负载上的不足，有效提高无人机自主控制水平。

发明内容

1、发明目的：

本发明提供了一种基于鸽子被动式避障飞行的无人机避障导引方法，其目的是提供一种在线的无人机避障导引方法，旨在提高无人机环境适应性的同时，降低无人机单机计算负载，从而有效提高复杂动态任务环境下的无人机自主能力水平。

2、技术方案：

本发明针对无人机避障导引问题，开发了一种基于鸽子被动式避障飞行的无人机避障导引方法，该方法的框架如图1所示，具体实现步骤如下：

步骤一：初始化

随机生成无人机在初始时刻的二维空间位置(X,Y)、飞行速度V、航向角ψ；随机生成二维空间内的n个圆形障碍，每个障碍的圆心坐标为(x_i,y_i)，半径均为r，其中i＝1,2,...,n为障碍的编号；设定仿真时间t＝1。