[发明专利]一种仿鸽群应急避障机制的集群超机动避障方法

摘要

本发明公开一种仿鸽群应急避障机制的集群超机动避障方法，步骤如下：一、参数初始化；二、确定当前时刻无人机集群领队策略；三、计算无人机集群的鸽群编队保持信息；四、无人机集群类鸽群障碍感知；五、分析对其他无人机的障碍感知策略；六、确定无人机集群的仿鸽群应急避障策略；七、计算无人机集群的仿鸽群应急避障响应；八、计算下一时刻无人机集群航向角；九、更新无人机集群下一时刻二维空间位置；十、储存并输出无人机集群位置信息。本发明增强了单架无人机系统所需提高的监视范围、角度、工作效率、抗干扰性；有效降低了单机计算负载，除此之外，本发明提高了无人机对于复杂动态任务环境下的近距离紧急避障的适应性。

主权项

1.一种仿鸽群应急避障机制的集群超机动避障方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：步骤一：参数初始化确定无人机集群总架数N，目标位置(X_g,Y_g)，忽略高度坐标，在一定二维空间中随机生成每架无人机i(i＝1,2,3...N)初始时刻的二维空间位置(X_i,Y_i)(X_i<<X_g,Y_i<<Y_g)，飞行速度V_i，航向角无人机的最大感知距离R_max、最大感知角度α_max，无人机航向控制器参数τ、K_P、K_I、K_D、K_S，地图与指南针因子P₁，无人机速度因子P₂，评价函数权重系数w₁、w₂；忽略高度坐标，在一定二维空间中随机生成n个圆形障碍，每个障碍j(j＝1,2,3...n)的圆心坐标(x_j,y_j)(x_j≤X_g,y_j≤Y_g)，半径r(r<R_max)，计算机运行时间T；步骤二：确定当前时刻无人机集群领队策略设置评价函数h，计算当前时刻每架无人机的评价函数值，根据排序将评价函数值最小的无人机作为当前时刻的头机，其余无人机作为僚机即跟随鸽；其中，为无人机i(i＝1,2,3...N)到目标位置的距离，M_i为无人机i(i＝1,2,3...N)在感知范围内探测到的障碍物数量；步骤三：计算无人机集群的鸽群编队保持信息每架无人机按照鸽群保持机制，根据指定速度、位置函数更新相应速度、位置并存储，头机向目标位置导航，僚机跟随头机进行导航信息更新；其中，P₁为地图指南因子，P₂为无人机速度因子，均根据具体需要设定数值，rand()为0到1之间的随机数，步骤四：无人机集群类鸽群障碍感知每架无人机同单只鸽子视觉注意区域一样，其视觉注意区域为以无人机i所在位置(X_i，Y_i)为顶点，R_max为半径，2α_max为圆心角的扇形，且顶点到弧线中点的方向与无人机航向角β_i一致；判断每架无人机i(i＝1,2,3...N)的视觉注意区域内是否有固定障碍物，即当固定障碍物j到无人机i的连线与无人机航向间的夹角小于α_max且无人机i与固定障碍物j之间的距离小于等于R_max时，无人机感知到固定障碍物j，并进行障碍物位置标记；判断每架无人机i(i＝1,2,3...N)的视觉注意区域内是否有其他无人机，即当无人机i与其他无人机的连线与无人机航向间的夹角小于α_max且无人机i与其他无人机之间的距离小于等于R_max时，无人机在视觉注意区域内感知到其他无人机，并进行标记；若无人机i(i＝1,2,3...N)即没有感知到固定障碍物，又没有感知到其他无人机，则跳转至步骤二；步骤五：分析对其他无人机的障碍感知策略将无人机i(i＝1,2,3...N)视觉注意区域内标记过的其他无人机的速度大小与无人机i(i＝1,2,3...N)的速度大小的比称作速度比率，设定速度比率阈值t(t>1)，若速度比率大于速度比率阈值，则二次标记该无人机i(i＝1,2,3...N)视觉注意区域内标记过的其他无人机坐标；步骤六：确定无人机集群的仿鸽群应急避障策略确定无人机i(i＝1,2,3...N)相应的鸽群应急避障策略，即根据检测到的障碍间隙而求解对一次标记过的固定障碍物的避障角γ_ij(j＝1,2,3...n)和对二次标记过的无人机的避障角γ_ik；其中，α_j为障碍角坐标,β_k为被二次标记过的第k个无人机的航向角坐标，Q_ik为被二次标记过的第k个无人机到无人机i(i＝1,2,3...N)的距离；步骤七：计算无人机集群的仿鸽群应急避障响应计算无人机i(i＝1,2,3...N)的鸽群应急避障响应α_i，exp(i＝1,2,3...N)，即将无人机i(i＝1,2,3...N)对准障碍之间的最大缝隙处；α_i，exp＝∑(α_j+γ_ij+β_k+γ_ik)    (8)步骤八：计算下一时刻无人机集群航向角使用无人机航向控制器来执行无人机i(i＝1,2,3...N)的应急避障，即计算出下一时刻应执行的航向角β_i(i＝1,2,3...N)；其中，误差α_i,error＝β_i‑α_i,exp，τ为视觉感知传感器时延，K_p为无人机航向比例控制增益，K_i为积分控制增益，K_D为微分控制增益，K_S为惯性稳定控制增益；步骤九：更新无人机集群下一时刻二维空间位置通过步骤八计算得出的航向角β_i(i＝1,2,3...N)来更新无人机i(i＝1,2,3...N)的实时二维空间位置(X_i,Y_i)；步骤十：储存并输出无人机集群位置信息在步骤一所设定的二维空间存储无人机集群每一时刻的位置信息，同时判断是否为最后时刻的位置信息，若是最后时刻则结束计算并输出无人机集群飞行轨迹，否则转至步骤二。