[发明专利]一种无人飞行器空间避障方法及相关路径在线规划方法

说明书

本发明提出了一种无人飞行器空间避障方法及相关路径在线规划方法，该方法是一种基于三维速度障碍锥的动态空间直接避障方法，能够给出避障的插入点及避障方向，并与航迹规划方法相结合，可以实现无人飞行器在线航迹的重新规划。避障方法主要包括以下步骤：（1）构建三维速度障碍锥，（2）运用三维速度障碍锥进行避碰判断，（3）求解避障方向，（4）求解避障点。相关路径在线规划方法是以前述避障方法求解的避障方向和避障点来作为曲线路径在线规划的初始条件进行路径在线规划的方法。

技术领域

本发明属于无人飞行器空间避障飞行的控制领域，尤其是涉及一种基于三维速度障碍锥和空间速度障碍球冠的无人飞行器空间避障方法以及相关的路径在线规划方法。

背景技术

当前无人飞行器空间归避障碍的飞行有多种控制方法。主要是利用探头探测周围信息，信息包括无人飞行器与障碍物之间的相对距离、方位、视线角、视线角速度、相对速度及加速度等。控制规避障碍物(以下简称“避障”)的方式主要有两类：一类是在航路规划时，将航路上存在的障碍物以约束条件的形式加在无人飞行器飞行的性能指标中。例如：采用A^*搜索算法、快速随机搜索树、遗传算法等，在进行航路的规划过程中通过数学运算，解算出不符合避障约束条件的解，并将其剔除；第二类是设计避障导引函数，如人工势场法或改进的导航函数法、导引避障法及基于跟踪误差的李雅普诺夫控制律设计法等，将避障的过程结合在规划算法之中。第一类方式主要用于对静态障碍如高山、高层建筑物等的归避；然而对于动态障碍物诸如动态的飞行物时，由于发现障碍物后能够反应的时间极短，而且飞行器一般具有机动快速的特点，这样采用第二类方式才能够更好地解决这类问题。

上述第二类方式中的人工势场法，其实现避障的原则是：首先定义一个势场力函数，在该势场中势场力对障碍物产生排斥力，对无人飞行器产生吸引力，并将此原则转换成路径规划的费用函数，引导无人飞行器使用最小费用，沿安全路径到达目的地。但是，经过反复试验发现：该势场力函数在对静态障碍物进行避障时，控制的实时性比较好；但是当障碍物为运动障碍，将障碍物和无人飞行器的速度加入到势场函数构造中时，侧避障效果不佳，往往在计算运动体路径时产生无效路径；而且，由于运动障碍物的作用，无人飞行器即使根据实际飞行路径来看与障碍物二者之间并不会碰撞，但根据势场函数的计算,仍然会产生势场力,使无人飞行器在飞行途中会偏离原来的运动轨迹；另外，有时还易陷入局部极小，使无人飞行器的飞行路径混乱。

Hyo-Sang Shin等基于微分几何学原理，对无人飞行器飞行过程中的控制方法，应用避障的速度圆锥法进行碰撞检测，采用导引律的思想进行碰撞冲突消解，给出了无人飞行器航向角及速度的变化规律。但是，由于微分几何学中给出的是平面的几何关系，所以解出的控制飞行规律的方程是非连续的导引控制规律，并且引入了符号函数，其规划路径易产生颤振。

F.Belkhouche[16]针对三维静态避障，采用了平面降维思想，利用避障圆锥法实现了避障，并用扩展比例导引律进行避障导引，在导引律设计参数中考虑了飞行器的飞行速度、角速度等约束限制，可产生非直线导引航迹。但是,由于采用的是平面避障思想,所以避障中产生的非直线导引航迹并不是三维空间的非直线导引的最短距离航迹。

综上所述：目前空间避障方法还是基于平面降维避障的思想，而不是三维空间的直接避障，这样就会导致在避障平面上飞行角度改变较大、飞行航迹偏离原航迹较远等问题。

发明内容

针对上述提出的问题，有必要提出一种新的空间直接避障法，该方法可以较好的实现三维空间直接避障的问题。本发明以此为目的提出了一种三维速度障碍锥的动态空间直接避障方法，该方法能够给出避障的插入点及避障方向；并与航迹规划方法相结合，可以实现无人飞行器在线航迹的重新规划。

本发明提出的避障方法具体包括以下步骤：

步骤S1，构建三维速度障碍锥；