[发明专利]一种基于位置与速度人工势场法的无人机路径规划方法

说明书

本发明公开了一种基于位置与速度人工势场法的无人机路径规划方法，主要包括：步骤一是建立基于障碍物三维空间位置的斥力势函数和基于目标三维空间位置的引力势函数；步骤二是建立基于障碍物速度的动态斥力势函数和基于目标速度的动态引力势函数；步骤三是建立基于位置与速度人工势场函数的数学模型，求解出无人机动力学方程进行路径规划。与传统二维的基于位置的人工势场法相比不仅解决了二维空间的局限问题，而且引入速度信息提高无人机路径规划的可靠性。

技术领域

本发明属于无人机路径规划和无人机控制领域，具体涉及一种基于位置与速度人工势场法的无人机路径规划方法。

背景技术

随着计算机技术与电子电路技术的发展，无人机从军事领域逐渐走入民用、商用领域，特别是应用于农业监测、民用航拍、灯光表演等场合。无人机作为一种新型的具备极高机动性的设备，在飞行的过程中需要对其运动轨迹进行路径规划，这是保障飞行器自身不被障碍物损坏与高效到达目标区域的重要措施。人工势场法因具有建模简单、路径规划速度快等优点被广泛用于进行无人机路径规划，目前在应用人工势场法对无人机进行路径规划时存在若干研究上的难题，主要包括两个方面，一是传统的人工势场法局限于二维空间也即平面上的运动，而无人机的运动遍历三维空间，如何将人工势场法扩展至三维空间并单独对其每个轴进行独立权重控制成为无人机路径规划的重要研究方向；二是传统的人工势场法局限于只采用位置信息构建势力函数而忽略速度信息，在障碍物与目标区域都在动态移动的场合难以保证路径规划的安全性与精确度。

发明内容

本发明的目的在于提供种一种基于位置与速度人工势场法的无人机路径规划方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：种基于位置与速度人工势场法的无人机路径规划方法，包括:

步骤一，建立基于障碍物三维空间位置的斥力势函数和基于目标三维空间位置的引力势函数；

步骤二，建立基于障碍物速度的动态斥力势函数和基于目标速度的动态引力势函数；

步骤三，建立基于位置与速度人工势场函数的数学模型，求解出无人机动力学方程进行路径规划。

进一步地，所述步骤一的建立基于障碍物三维空间位置的斥力势函数和基于目标三维空间位置的引力势函数的过程，包括：位置侦测器接收无人机的三维空间位置，并测量各障碍物的三维空间位置，同时将所述无人机与所述各障碍物的三维空间位置传输至中央服务器，建立基于障碍物三维空间位置的斥力势函数和基于目标三维空间位置的引力势函数。

进一步地，所述位置侦测器接收所述无人机的三维空间位置记为 q＝[x,y,z]^T，其中x,y,z表示所述无人机在三维空间O_xyz的位置坐标，O_x的方向为水平面内正东方向，O_z的方向为垂直于地面指向正上方，O_y的方向为在水平面内垂直于O_x轴并满足右手法则；

所述位置侦测器测量所述各障碍物的三维空间位置记为q_oj＝[x_oj,y_oj,z_oj]^T，其中x_oj,y_oj,z_oj表示第j个障碍物在三维空间O_xyz的位置坐标，j＝1,...,N，其中N 表示空间内障碍物的总个数；所述中央服务器存储所述无人机目标区域的三维空间位置q_g＝[x_g,y_g,z_g]^T，其中x_g,y_g,z_g表示目标区域的中心点在三维空间O_xyz的位置坐标；