[发明专利]一种无人机的避障方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及航空科学技术领域，尤其涉及一种基于人类避障行为的无人机避障方法及其装置。

背景技术

无人机已经成为当前各国投入大量人力和财力研发的作战装备，随着战场环境逐渐复杂和任务要求的提高，多无人机协同执行侦察任务的需求日益重要和普遍。本世纪70年代之后，国内外研究者们陆续提出了很多典型的无人机实时航路规划方法，并取得了显著的研究成果，但大多数方法都存在不符合实际需求的缺陷。

无人真实的飞行环境信息很难完全预知，经常会遇到未知的突发威胁或障碍，这时预先规划的全局航路已不能满足要求。即使没有突发威胁出现，全局航路规划方法也会由于需要离线预处理和对环境信息的高依赖性，而不适用于复杂时变的战场环境，欠缺实用性。对应离线预处理的全局航路规划方法的就是实时航路规划方法，主要根据实时获取的环境信息进行快速航路规划，达到最小能耗实时避障的目的。学者们已经提出一些动态环境下实时航路规划的方法和策略，主要分为两类，一是基于已知环境信息规划初始航路，在出现突发威胁障碍时局部调整初始航路，绕过威胁后重新回到预先规划的航路上；另一种方法是在发现新威胁时从飞行器当前位置到目标位置之间完全重规划一条新的航路。以上两种方法虽然弥补了全局航路规划缺乏应变能力的不足，但牺牲了解决问题的时间，不能满足无人机航路重规划安全快速的要求。

在无人飞行器航路规划算法方面，国内外的学者已经进行了大量的研究工作，典型算法有图搜索法、进化法、人工势场法等，每一种算法都有自身的优势和不足。图搜索法包括Voronoi图法、快速随机搜索树法、A*算法，这些方法可以快速在构造图中搜索到航路，但其搜索的复杂度随着地理空间维度的增加成几何级数增长，不适用于复杂地形和实时计算；另外这些方法得到的航路由折线构成，不满足无人飞行器的机动能力约束条件；进化算法可以满足三维地形和飞行性能的约束要求，但是其迭代进化过程中存在盲目性，计算量很大，不满足实时性要求，并且对机载或地面站处理器的性能要求较高；人工势场法将目标和障碍物分别看做引力场源和斥力场源，无人机沿着引力和斥力的合力方向运动，可以得到平滑的飞行轨迹，该方法能够用于实时控制，不足之处在于存在局部陷阱，解算出的航路容易出现抖动现象。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，借鉴人类躲避障碍物的机理，提出一种适合于无人机机载实时解算的航路规划方法。人类避障行为具有几点特征，特别适用于无人机实时航路规划技术：(1)人类通过肉眼只能看到距离自己比较近的环境信息，正好符合无人机飞行过程中实时探测局部环境信息的实际情况；(2)没有障碍物或距离障碍物较远时，人类会保持朝向目标点的运动状态；(3)人类在观察到存在障碍物时，会在必要的范围内采取避障行为，按照尽可能省时省力的原则调整自身运动状态来避障，直至到达目标点。

人类避障行为不会受环境中障碍物数量多少的影响，会以局部探测信息作为依据，结合自身机动性能来实施避障，本发明以这些特征为出发点，提出快速有效的无人机实时航路规划方法。

为此，本发明提出一种基于人类避障行为的无人机避障方法，其包括：

步骤1、实时探测并判断无人机前进方向上是否存在障碍物及突发威胁；如果存在，转向步骤2；否则转向步骤5；

步骤2、如果存在障碍物或突发威胁，则建立所述障碍物或突发威胁所在的障碍区，并根据所述障碍区中离无人机最近的障碍边建立避碰行为区；

步骤3、如果无人机进入所述避碰行为区，则根据所述最近的障碍边计算避障速度矢量；所述避障速度矢量包括无人机避障速度以及避障航向；

步骤4、根据所计算得到的避障速度矢量，计算无人机前进的步长；

步骤5、如果没有探测到任何的障碍物或者突发威胁，则根据目标位置计算目标引导速度矢量，并根据该目标引导速度矢量计算前进的步长；

步骤6、判断是否到的目标，如果没有到达，则转步骤1；否则结束。

本发明还提出了一种基于人类避障行为的无人机避障装置，其包括：

初始判断模块，其用于实时探测并判断无人机前进方向上是否存在障碍物及突发威胁；如果存在，则转向建立模块；否则转向第二步长计算模块；

避障行为区建立模块，其用于存在障碍物或突发威胁时，则建立所述障碍物或突发威胁所在的障碍区，并根据所述障碍区中离无人机最近的障碍边建立避碰行为区；

避障速度矢量模块，其用于如果无人机进入所述避碰行为区，则根据所述最近的障碍边计算避障速度矢量；所述避障速度矢量包括无人机避障速度以及避障航向；