[发明专利]一种基于地形跟随的四旋翼飞行器自适应运动规划方法

说明书

本发明公开了一种基于地形跟随的四旋翼飞行器自适应运动规划方法，包括步骤：利用激光雷达来获取地形信息；建立四旋翼飞行器的模型和运动方程；采用高斯滤波算法进行轨迹规划，获得四旋翼飞行器的飞行轨迹；确定约束条件和目标函数，建立MPC控制器；四旋翼飞行器通过MPC控制器来跟踪飞行轨迹。本发明将单光束激光雷达附加到四旋翼飞行器的基座上，通过激光雷达将下方和前方地形的起伏信息发送回四旋翼飞行器。利用该激光反馈的信息，运动规划算法可创建一条平滑的轨迹，使四旋翼飞行控制器能够精确跟踪轨迹和跟随地形，并通过避免突然的轨迹校正而导致的能量消耗来使飞行时间最大化，进一步促进了无人机在民用方面的发展。

技术领域

本发明涉及无人机的地形跟随和运动规划的技术领域，尤其涉及一种基于地形跟随的四旋翼飞行器自适应运动规划方法。

背景技术

近年来，带传感器的四旋翼飞行器的使用允许无人机可以在复杂的环境中更加自主地飞行，这是对该行业产生的最大影响之一。计算机视觉研究者也从无人机性能的这些进步中受益，因为他们的算法现在可以在诸如跟踪或避开障碍物等活动中进行测试(R.He,A.Bachrach,M.Achtelik,A.Geramifard,D.Gurdan,S.Prentice,et al.,On the designand use of a micro air vehicle to track and avoid adversaries,”TheInternational Journal of Robotics Research,vol.29,pp.529-546,2010.)。然而，研究人员仍然面临一个挑战：如何在考虑到环境限制的情况下实现各种海拔高度的精确导航(H.Bouadi,M.Bouchoucha,and M.Tadjine,”Sliding mode control based onbackstepping approach for an UAV type-quadrotor,”World Academy of Science,Engineering and Technology,vol.26,pp.22-27,2007)。为了使这种复杂的情况成为可能，研究人员不仅需要制定精确的运动规划算法和可靠的控制方法，还需要获取更全面的环境数据。

无人机固有的不稳定系统意味着迄今为止，为地面车辆自动驾驶而开发的大多数成功的运动规划技术并未在空中的飞行器上取得良好的效果(Hoffmann,Gabriel,StevenWaslander,and Claire Tomlin”Quadrotor helicopter trajectory trackingcontrol.”AIAA guidance,navigation and control conference and exhibit.2008)。但是，多年来，研究人员在无人机运动规划和轨迹跟踪方面取得了重大突破，其中许多成果已经在自主飞行、建图和监控这些方面中得到了应用。然而，在面对复杂环境的情况下，例如在应对室内飞行或偏远或复杂的地形时，现有方法仍存在缺陷。向自主飞行迈出成功的一步是：添加一种传感器，例如一个相机，到无人机上以及写出自动生成轨迹的算法。这些改进的方法虽然提高了四旋翼飞行器的独立性，但也产生了新的问题，即有效载荷限制和冗长的计算过程。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种基于地形跟随的四旋翼飞行器自适应运动规划方法，该方法可以通过避免突然的轨迹校正而导致的能量消耗来使飞行时间最大化，进一步促进了无人机在民用方面的发展。

为实现上述目的，本发明提供一种基于地形跟随的四旋翼飞行器自适应运动规划方法，包括以下步骤：

利用激光雷达来获取地形信息；

建立四旋翼飞行器的模型和运动方程；

采用高斯滤波算法进行轨迹规划，获得四旋翼飞行器的飞行轨迹；

确定约束条件和目标函数，建立MPC控制器；

四旋翼飞行器通过MPC控制器来跟踪飞行轨迹。