[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

说明书

本发明公开了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，包括：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；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；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；根据灾后场景，搭建无人机执行任务的避障场景，将障碍物近似为球型，构建障碍物场景；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。本发明能实现基于预设航线的无人机三维避障，避障过程轨迹平滑，无人机速度平稳。

技术领域

本发明涉及无人机自主避障领域，尤其涉及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。

背景技术

随着传感技术和嵌入式系统的快速发展，无人机自主性日益提高，无人机导航日益成熟，但是在实际应用中，环境复杂，无人机难免会遇到障碍物，是否具有自主避障能力就成了衡量无人机自主性的最主要因素，因此无人机避障成为了当前的研究热点。

目前国内外学者们关于无人机避障的研究主要是基于二维空间的无人机避障，避障方法层出不穷。此类避障方法旨在消除无人机与障碍物之间的碰撞，进行避障轨迹优化。但是在实际应用中为提高无人机的自主性，避障往往伴随着航线跟随，因此目前大多避障方法无法完成基于预设航线的避障；通常高空避障时，绕过障碍物基本能避开所有障碍物，目前大部分避障方法研究的是绕开障碍物的二维避障，针对地面近距离自主探查无人机的任务需求，无人机需要在地表执行任务，地表障碍物情况复杂，采用绕过障碍物(二维避障)会增大无人机的探查盲区。

总之，目前的避障技术在无人机执行地表近距离自主探查时存在弊端有：无法结合预设航线，自主性较低；避障多为二维，探查盲区增大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供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，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。

进一步地，本发明的步骤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。

进一步地，本发明的步骤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：