[发明专利]一种固定翼无人机的轨迹规划方法

权利要求书

1.一种固定翼无人机的轨迹规划方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤一、根据固定翼无人机基本参数设定控制策略的固定参数，初始化任务要求和相关控制参数；

步骤二、固定翼无人机通过传感器实时检测飞行前方状况，根据预判式碰撞检测方法，判断障碍物是否真正对固定翼无人机构成威胁；

步骤三、根据实时检测的威胁结果，采取不同的控制策略进行飞行；

步骤四、重复步骤二和步骤三，控制固定翼无人机飞行，直到到达目标位置；

所述步骤一具体为：建立xoy二维平面坐标系，将固定翼无人机的基本参数——固定翼无人机的起始位置p₀、最小速度v_m0、最大速度v_m1、最大加速度a、最大转弯角φ_m、最小安全距离r，传感器最大检测半径R设定为控制策略的固定参数；初始化任务要求——目标位置p₁，同时，初始化基于滚动时域控制策略的模糊粒子群优化方法的滚动时域控制步数T、粒子群最大迭代次数K、粒子群数量N、采样时间Δt；

步骤二所述的预判式碰撞检测方法具体为：(1)使用传感器实时检测同一障碍物的多个轮廓点，筛选出其中相邻连线为凸的多个轮廓点，连接为一个凸多边形，并求该凸多边形的最小外接圆圆心坐标为O_i，半径为R_i，其中i表示第i个障碍物；(2)如果d_i-R_i≤R，此时视障碍物i为潜在威胁源；d_i表示固定翼无人机当前位置p与障碍物最小外接圆圆心O_i之间的距离；(3)当潜在威胁源满足时，将障碍物i视为真正的威胁源，将继续向此方向飞行视为不可飞区域，其中，ψ_i为障碍物i和固定翼无人机当前位置连线与x轴正方向的夹角，α_i为固定翼无人机当前位置到障碍物i外接圆两切线的夹角，为固定翼无人机当前位置与障碍物i相对速度v_i与x轴正方向的夹角；(4)将固定翼无人机当前飞行速度v分解到相对速度v_i方向，设为并判断是否近似相等，即为静态障碍物威胁，否则为动态障碍物威胁，其中ε为人为设定的误差范围；

所述步骤三的具体控制策略为：当没有检测到障碍物威胁时，固定翼无人机朝目标位置方向最大输出前进；当检测到静态障碍物威胁时，采用基于滚动时域控制策略的模糊粒子群优化方法(R-RHC-FPSO)进行静态避障飞行控制；当检测到动态障碍物威胁时，采用分段线性人工势场法(PLAPF)完成动态避障飞行控制；

所述的基于滚动时域控制策略的模糊粒子群优化方法(R-RHC-FPSO)的静态避障飞行控制具体如下：

(1)建立固定翼无人机的动力学模型如下：

其中，I₂和O₂表示二维单位矩阵和零矩阵，p(k+j|k)、v(k+j|k)、a(k+j|k)分别为第k时刻预测得到的第k+j时刻的固定翼无人机位置向量、速度向量和加速度向量，当其中的j＝0时，分别等于第k时刻的固定翼无人机位置向量p(k)、速度向量v(k)和加速度向量a(k)；

(2)利用粒子滤波算法，用随机分布在固定翼无人机当前位置附近的粒子替代固定翼无人机进行预测估计，用粒子预测位置与障碍物和目标位置的距离来构建最优化目标函数，更新粒子滤波参数，计算N个粒子在之后步数T内的位置和速度，同时，判断每一个粒子的每一步是否在可行域②内，如果不在，则直接删除该粒子；

其中，φ(k+j+1|k)为第k时刻预测得到的第k+j+1时刻的固定翼无人机转角，D代表当前可检测到的区域，F代表不可飞区域；

(3)选择最优的粒子路径，计算出预测的加速度a(k+j|k)，代回固定翼无人机动力学模型①，指导更新固定翼无人机下一时刻的位置；

所述的分段线性人工势场法(PLAPF)的动态避障飞行控制具体如下：

(1)由固定翼无人机到目标点的引力势场和固定翼无人机自身速度势场构建第k时刻的引力势场U_a，即：

U_a(k)＝ε_qρ²_g(k)+ε_v||v(k)||² ③

其中，ρ_g(k)＝||p(k)-p₁||表示第k时刻固定翼无人机与目标位置的距离，ε_q，ε_v为人为设定的引力增益因数；

(2)由障碍物势场和固定翼无人机与障碍物之间的相对速度势场构建第k时刻的斥力势场U_ri，即：

其中，ρ_i(k)表示第k时刻固定翼无人机到障碍物i之间的距离，η_q、η_v为人为设定的斥力增益因数；

(3)将引力势场和斥力势场进行分段线性处理，并计算第k时刻的固定翼无人机与目标位置的连线相对于x轴的夹角α(k)，固定翼无人机与检测半径内障碍物i的连线相对于x轴的夹角θ_i(k)；

(4)根据公式⑤，指导更新固定翼无人机下一时刻的位置；

其中，p_x、p_y分别为固定翼无人机位置p在x轴和y轴方向上的分量。