[发明专利]一种飞行速度限制下的无人飞行器航迹规划方法

权利要求书

1.一种飞行速度限制下的无人飞行器航迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤： 

1）预先确定无人飞行器的飞行环境及无人飞行器的运动学模型； 

2）设计无人飞行器航迹规划系统，包括： 

（1）设计无人飞行器在飞行区域内的势能分布函数； 

（2）设计无人飞行器航迹规划算法，使无人飞行器绕开障碍物达到目标点并保持合理的飞行速度； 

（3）分析无人飞行器航迹规划算法的稳定性和理论根据。

2.根据权利要求1所述的一种飞行速度限制下的无人飞行器航迹规划方法，其特征在于，步骤1）所述的无人飞行器的运动学模型是： 

其中，q=[x,y]^T代表无人飞行器的飞行位置的横纵坐标，u代表无人飞行器的输入，即飞行器的飞行速度。 

3.根据权利要求1所述的一种飞行速度限制下的无人飞行器航迹规划方法，其特征在于，步骤1）所述的飞行环境基于以下假设：无人飞行器的飞行区域范围已知；飞行区域内的障碍物的位置和大小已知；无人飞行器看作为一个质点，所述的无人飞行器的跟踪目标点为q_d=[x_d,y_d]^T。 

4.根据权利要求1所述的一种飞行速度限制下的无人飞行器航迹规划方法，其特征在于，步骤2）所述的无人飞行器在飞行区域内的势能分布函数包括： 

首先定义障碍物函数β_i(x,y),i=1,2,...,n为： 

其中q_oi,i=1,2,...,n代表第i个障碍物的位置，r_oi,i=1,2,...,n代表第i个障碍物的半径，q=[x,y]^T代表无人飞行器的飞行位置的横纵坐标； 

再定义边界函数： 

其中，r_d表示飞行区域的半径； 

从而得到势能分布函数为： 

其中，κ表示一个正常数，G(q)表示如下等式： 

5.根据权利要求1所述的一种飞行速度限制下的无人飞行器航迹规划方法，其特征在于，步骤2）所述的无人飞行器航迹规划算法即是无人飞行器的期望飞行速度u，为： 

V_d和ε分别代表 

其中，V₀表示无人飞行器的初始速度，V_s表示期望速度大小，η表示从初始速度到期望速度的过度时间，ε₀、δ表示正的常数，d=||q-q_d||表示无人飞行器与目标点的直线距离。 

6.根据权利要求1所述的一种飞行速度限制下的无人飞行器航迹规划方法，其特征在于，步骤2）所述的分析无人飞行器航迹规划算法的稳定性和理论根据包括： 

引理1：设φ:R→R是[0,∞)上的一致连续函数，假设存在且有界，则φ(t)→0当t→∞； 

引理2：势能分布函数(q)在全局范围内不可避免存在局部极小值，即存在某些位置点q≠q_d，使得严格的全局导航函数是不存在的，但是在局部范围内，通过调整参数κ使得在预设的无人飞行器的飞行区域内存在唯一的局部极小值点； 

定理1：通过无人飞行器航迹规划算法能够计算出无人飞行器的期望速度u，使无人飞行器达到目标点，并实现避障功能； 

证明：定义正定函数W(t) 

对函数W(t)求导并将无人飞行器的期望速度u代入得到 

从上式可看出，(t)为半负定，由于 

因此可知，W(t)∈L_∞，则q(t)∈L_∞，可推出一致连续，通过引理1证明，当t→∞时，根据引理2，可知在q=q_d唯一确定。