[发明专利]一种基于双旋Lyapunov矢量场的无人飞行器避障方法

说明书

本发明公开了一种基于双旋Lyapunov矢量场的无人飞行器避障方法，主要包括以下步骤：确定无人飞行器飞行约束条件并构建障碍物安全圆；通过障碍物安全圆进行避障判定；确定最优避障方向和矢量场旋转方向并进行避障。为了提高避障的效率并缩短避障的路径，重新定义了成功避障的判定依据。为了简化避障的复杂度，还提出了对于多个微小障碍物避障的障碍合并重构的规则。该方法能够同时满足无人飞行器动力学约束并实现静态及动态障碍的避障，实现动态未知环境下的无人飞行器平面自主避障。

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，主要是涉及同时满足无人飞行器动力学约束和实现静态及动态障碍避障的方法，尤其是涉及一种基于双旋Lyapunov矢量场的无人飞行器避障方法。

背景技术

无人飞行器作为一种能够自主控制或者遥控控制的飞行器，以其高续航性和机动性受到了越来越多的关注，其飞行过程中的避障技术也成为了研究的热点。

目前，关于无人飞行器避障飞行的研究有许多，现有的避障算法主要可以分为三类：启发式算法、基于图论的方法和几何学方法。其中，启发式算法能够快速规划出从起点到目标点的可行航迹，但是该类方法存在未考虑无人飞行器的机动性能，规划的航迹不具有可飞性且需要对规划的航迹进行平滑处理的缺点；而基于图论的方法能够通过对空间遍历来寻求从起点到目标点之间的避障路径，但该类方法不仅不满足动力学约束，而且一旦任务空间发生变化，需要对空间进行重新遍历，不适合动态障碍的避障规划；而几何学方法能够满足转弯半径等飞行动力学约束，但仅能对静态目标进行避障，而对于动态障碍的规避寻找合适的避障切点十分困难。

综上所述，以上三类方法虽然各有优点，但是均无法同时满足动力学约束和动态障碍的避障这两方面的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人飞行器避障方法，其在满足静、动态障碍避障要求的同时，还能够满足无人飞行器的动力学约束(即满足无人飞行器机动性能约束下的航迹可飞性要求)。

本发明提出的一种基于双旋Lyapunov矢量场的无人飞行器避障方法，包括以下步骤：

步骤S1，确定无人飞行器飞行约束条件并构建障碍物安全圆；

设无人飞行器飞行速度V₀大小不变，初始飞行方向指向目标点G；根据无人飞行器的最小转弯半径为R₀和无人飞行器避障所需安全距离R_uav，将障碍物的外接圆膨化后得到半径为R_safe的障碍物安全圆；

步骤S2，通过障碍物安全圆进行避障判定；

经判定，如需要避障则进入步骤S3；如不需要进行避障，无人飞行器则继续按照当前飞行方向飞行；

步骤S3，确定最优避障方向和矢量场旋转方向并进行避障；

当障碍物为静态障碍时，最优避障方向为无人飞行器和目标点的连线矢量旋转到矢量的旋转方向，其中为无人飞行器和T_n点的连线矢量，T_n点为和垂直且过障碍物安全圆圆心的直线与障碍物安全圆交点中距离无人飞行器较近的交点；

将避障看作是对障碍物的跟踪，以R_safe作为期望的跟踪半径，将最优避障方向的反方向作为Lyapunov矢量场旋转方向，并在该矢量场的引导下进行避障。

优选的，步骤S1中的R_safe为：R_safe＝max{R₀,R_obs+R_uav}，其中R_obs为障碍物的外接圆半径。

优选的，为了提高避障的效率并缩短避障的路径，在步骤S3后还设有步骤S4：

步骤S4，判定是否成功避障；