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这种连接方式必须考虑无人机安全指标

  秒速赛车官网在线航路规划能够使无人机针对动态变化的环境快速有效地生成相适应的飞行航路,是无人机任务规划系统必需的能力之一。基于人工势场法提出一种三维在线航路规划方法,使无人机在应对动态变化的飞行环境时能实时规划出保障飞行安全并满足其任务执行效率指标的飞行航路。此航路规划方法在环境构建过程中引入了参考航路引力场和自适应的时间扰动因子,解决了原人工势场法在航路规划中容易陷入势场局部最小值而导致无法用适感环境动态变化区域的问题。在此基础上,提出一种虚拟目标法以更有效地解决人工势场法遇到的局部极值陷阱问题。通过仿真验证表明:所提出的无人机在线航路规划方法比传统的人工势场法更容易跳出势场的局部最小值,且有较好的避障能力。

  杨丽春,顾颖彦,白宇. 基于改进人工势场法的无人机在线航路规划算法[J].电子技术应用,2018,44(4):5-9,13.

  无人机在线航路规划是综合考虑无人机机动性能、任务需求等约束条件因素应对动态变化的规划环境,进而规划出一条满足任务需求的最优或可行航路[1]。传统的航路规划算法是以固定的任务目标、稳定不变的飞行环境为假设前提而提出的,是静态的规划,而无人机在实际的军事、勘探、商业等应用中,其任务目标与飞行环境都可能是变化和不确定的,因此传统的航路规划算法无法满足无人机在动态变化的任务执行环境中快速运行期间对航路变化的要求。由于传统航路规划算法存在在线规划能力不足的问题,一种可以快速有效地生成针对动态变化环境相适应的飞行航路的在线航路规划方法亟待提出。

  近年来,国内外许多学者针对动态环境中的飞行器航路规划问题做了大量研究,并提出了多种可行的算法——动态规划法[2-3]、神经网络法[4]、启发式A*搜索法[5]、模拟退火法[6]、遗传算法[7-8]、粒子群算法[9]等。这些算法比传统的航路规划算法有更好的在线规划能力,使飞行器可以在动态变化的飞行环境中做出与环境变化相应的反应,然而当飞行环境地形精度要求较高时,地形栅格数量急剧增加,从而搜索空间变大,这些算法的规划用时会大幅增加,大大降低了无人机的反应速度,使其动态规划能力下降。其次这些方法规划出来的航路没有充分考虑无人机实际的飞行航迹与飞行性能,大多航路是以关键坐标点间直线连接组成不平滑的航路,这种连接方式必须考虑无人机安全指标,例如最大转弯半径、最小直飞距离等。因此,这些常用于全局航路规划的算法在针对动态环境的在线航路实时规划方面仍存在一定不足。

  本文在考虑无人机的机动性能和威胁回避要求的基础上,提出了一种基于改进的自适应人工势场法(Artificial Potential Field,APF)的在线航路规划方法。该方法以全局规划生成的航路规划结果为参考航线,根据飞行环境的动态变化快速生成可行航路以确保飞行的安全和任务的执行效率。同时针对人工势场法在特殊区域容易陷入局部最小值,从而导致规划失败的问题,以变化的参考航路势场替代任务目标引力场,尽可能减少势场局部最小值的情况。同时引入时间因子,即使无人机陷入特殊区域的局部最小值,也可以通过时间因子的扰动快速脱离,确保航路规划的成功。另外提出一种虚拟目标方法,选取适当虚拟目标暂时替代实际目标,帮助解决局部极值陷阱问题。仿真结果表明,基于自适应人工势场法的航路规划方法满足在线航路规划的实时性和安全性要求,势场局部最小值的处理切实可行。

  人工势场法在机器人的路径规划算法中已经有大量的应用,并常被用于解决三维路径规划问题[10-13]。人工势场法与其他三维航路规划算法相比具有显著的优点:首先,人工势场法在规划航路时只需根据势力场计算当前位置受到的合力,结合当前无人机运动状态进行避障规划,所以其最显著的特点即为计算量小,运算速度快[14]。其次,利用人工势场法可以得到平滑而安全的航路,而其他航路规划算法不仅需要对航路进行平滑操作,可能还需要重新进行最小直飞距离、最大爬升角度等飞行安全性能检测。

  人工势场法的基本原理是:将环境中运动的物体看作处于虚拟力场中的一个质点,虚拟力场由目标的吸引力场和障碍物的排斥力场组成,通过搜索沿着势函数下降的路线规划出避撞的航路。单障碍物受力图和多障碍物受力图分别如图1和图2所示。其中虚拟引力如式(1)所示,斥力如式(2)所示,详细步骤如下:

  (1)在规划空间内设计势场。任务目标对应吸引力场,方向指向目标位置。威胁障碍物对应排斥力场,方向为远离障碍方向。

  (2)根据规划空间引力和斥力场模型计算合力,结合运动物体当前运动状态规划运动轨迹。

  式中,k为引力正权重因子,X为无人机的位置矢量,Xg为目标的位置矢量;η是斥力正权重因子,ρ是无人机与威胁障碍之间的距。

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