[发明专利]一种基于预设航线的地表近距离自主探查无人机的三维避障方法

权利要求书

1.一种基于预设航线的地表近距离自主探查无人机的三维避障方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1、无人机进行地表近距离自主探查任务时，根据任务需求，选取人工势场法作为避障算法；

步骤2、对无人机预设航线，并建立以预设航线中出发点到目标点方向上的坐标系；

步骤3、对人工势场法进行改进并提出避障原则：引入线势场，使无人机在有效规避障碍物后重新回到预设航线；对斥力势场进行改进，使无人机自主逃离局部极小点；

步骤4、根据灾后场景，搭建无人机执行任务的避障场景，并在避障场景中，将障碍物近似为球型，构建障碍物场景；

步骤5、在避障场景内，对无人机执行任务时的轨迹和速度进行三维仿真分析，验证方法的可行性；

步骤2中建立坐标系的方法具体为：

根据预设航线，以出发点到目标点方向在大地平面投影为X轴方向，Y轴在大地平面与X轴垂直，Z轴方向与X轴、Y轴均垂直，且Z轴方向朝向大地平面上方；

步骤3中引入线势场的方法具体为：

基于预设航线时，目标点变为目标线，点势场变为线势场，引力大小不变，方向变为指向预设航线；

当预设航线为直线时，引力为：

当预设航线为曲线时，单纯的位置反馈控制无法消除曲线跟踪的误差，这里引进前馈和速度控制，引力为：

其中，为无人机所受引力，ρ_line(g)为无人机距离预设直线航线的距离，▽ρ(g)为无人机指向预设航线的单位矢量；ρ_curve(g)为无人机距离预设曲线航线的距离，v_X为无人机沿X轴方向的速度，ΔT为控制周期，ΔV_Y为预设轨迹和实际轨迹的Y向速度差，θ为速度差系数；q为无人机当前位置，ρ(g)为无人机距离目标点距离，ρ(q)为无人机距离障碍物表面距离，ρ₀为障碍物有效影响范围，ξ为引力场系数，η为斥力场系数，▽ρ(q)是单位矢量，方向为斥力场方向；

步骤3中斥力场改进的方法具体为：

对斥力场进行改进，调整斥力方向为与垂直于航线方向，经过改进之后的人工势场法能自主逃离局部最小点，局部最小点是无人机所受引力和斥力合力为零的点，在该点处，无人机有沿X轴的速度，下一周期，无人机X轴的位置发生变化，所受合力不再为零，即逃离局部最小点；斥力为：

其中，为无人机所受斥力，ρ(g)为无人机距离目标点距离，ρ(q)为无人机距离障碍物表面距离，ρ₀为障碍物有效影响范围，η为斥力场系数，▽ρ(q)是单位矢量，方向为斥力场方向；

步骤3中无人机按照预设航迹进行飞行时采用的避障原则为：

设定一个避障阈值h，h为无人机定高最大稳定高度，如果无人机检测到障碍物高度大于h，则绕过，若小于h，则从障碍物上方越过；将改进后的人工势场法分别运用在无人机绕过Y轴方向或越过Z轴方向的避障上。

2.根据权利要求1所述的基于预设航线的地表近距离自主探查无人机的三维避障方法，其特征在于，步骤4中进行避障场景构建时采用的软件为机械系统动力学自动分析软件Adams。

3.根据权利要求1所述的基于预设航线的地表近距离自主探查无人机的三维避障方法，其特征在于，步骤5中进行三维仿真分析的方法具体为：

设置仿真参数并进行避障仿真及分析，无人机三维避障采用仿真控制周期为T，进行改进方法验证以及结果的轨迹分析和无人机各向速度分析，验证方法的可行性。