CN107992065A - 一种固定翼无人机群移动目标跟踪与避障防碰撞方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固定翼无人机群移动目标跟踪与避障防碰撞方法。根据各无人机的位置、速度，移动目标位置、速度以及固定障碍位置等信息，通过李雅普诺夫导航向量场与负反馈回路结合实现目标跟踪，通过强制改变方向角速率实现避障，通过斥力场实现无人机之间防碰撞，通过合理设计三种操作之间的优先级关系实现无人机群自主飞行跟踪目标与避障防碰撞。

Description

一种固定翼无人机群移动目标跟踪与避障防碰撞方法

1.技术领域

本发明属于无人机控制与航迹规划领域，具体涉及一种固定翼无人机群移动目标跟踪与避障防碰撞方法。

2.背景技术

固定翼无人机相比旋翼四轴无人机，具有速度高、飞行时间长、飞行距离远、载重大等特点，但由于其转向慢，机动性较弱，且无法空中悬停，在复杂地形环境中必须具备障碍规避的能力，在固定翼无人机群协同飞行时，还要考虑无人机之间的防碰撞问题。

当前无人机群采取的主流编队飞行方案，限定了无人机之间的相互位置关系，缺少自主性；其次，当前大多数方法为单无人机目标跟踪，或单无人机的避障航迹规划，缺少将目标跟踪、障碍规避与无人机之间防碰撞相结合的方法。因此本发明希望得到一种固定翼无人机群自主飞行，并能够实现移动目标跟踪以及避障防碰撞的方法。

3.发明内容

为了克服上述现有技术的不足，针对上述问题，本发明提供了一种固定翼无人机群移动目标跟踪与避障防碰撞方法。

本文所采用的技术方案是：移动目标跟踪采用李雅普诺夫导航向量场与负反馈回路结合的方法；避障采取强制改变方向角速率的方法；无人机之间防碰撞采用斥力场的方法，这种方法可以使无人机自主决定相互之间的避撞方向；并通过合理设计优先级关系将上述三项进行结合，从而解决无人机群协同任务时的自主跟踪以及避障防碰撞。

与现有技术相比，本发明所得到的有益效果为：首先，各无人机是独立的而不是编队式飞行，对队形没有要求，这种控制方法的发展前景更大，完成任务更加灵活。其次，本方法可以同时兼顾移动目标跟踪、避障与无人机之间防碰撞。

4.附图说明

图1为：李雅普诺夫导航向量场

图2为：无人机通过比例负反馈控制按照向量场飞行对目标进行跟踪

图3为：无人机对固定障碍进行规避

图4为：单无人机进行目标跟踪同时避障

图5为：判断无人机是否会与障碍相撞

图6为：无人机群协同进行目标跟踪、避障同时避免无人机之间相互碰撞

5.具体实施方式

1)根据下式生成如图1所示导航向量场，使无人机在与目标的每一个相对位置上都具有一个理想的应飞速度，式中h_x、h_y分别为应飞速度X、Y方向分量，u为无人机的巡航速度，r_t为无人机与目标的相对位置矩阵，R₀为无人机盘旋跟踪的收敛半径。

2)根据下式生成防碰撞斥力场，R_c为避撞范围半径，R_a为最小相对距离，r_a为各无人机之间的相对位置矩阵，α为斥力场系数，系数越大，避撞的趋势越大即航向角变化越快。

3)设计比例负反馈控制器函数，控制无人机的速度方向与向量场的方向一致，如图2所示。其中为导航向量场在该位置处的方向角变化率，为无人机与向量场的方向角误差，为无人机应具有的方向角速率。

4)对固定障碍避障时，判断当前状态下是否会发生碰撞，若会发生碰撞，则以最大方向角速率改变飞行方向直至不会发生碰撞，如图3所示进行避障。否则按照向量场进行飞行，方向角速率根据比例负反馈控制器得到

如图4所示，单无人机按照上述原则进行目标跟踪同时避障。

5)根据无人机与障碍或无人机之间的相对位置和相对速度判断是否会发生碰撞：如图5所示，

6)按照优先级关系进行结合的步骤：

①若在固定障碍避障范围内，且会相撞则方向由速度方向与相对位置决定，跳至5)，否则跳至2)。

②判断是各无人机是否在防碰撞范围内，若不在范围内，h₂(x,y)＝0；若在范围内，且会相撞则根据式计算所有斥力并相加h₂(x,y)＝h₂₁(x,y)+h₂₂(x,y)…+h_2n(x,y)；

③根据式计算导航向量场，h(x,y)＝h₁(x,y)+h₂(x,y)。

④根据比例反馈回路计算

⑤无人机根据航向角变化率进行飞行控制。

如图6所示，无人机群按照上述原则协同进行目标跟踪、避障同时避免无人机之间相互碰撞。

Claims (5)

1.一种固定翼无人机群移动目标跟踪与避障防碰撞方法，其特征在于：

1)各无人机之间共享无人机位置、速度以及移动目标位置、速度信息。

2)当无人机与障碍小于一定距离时无人机可探测到障碍，或障碍物位置已知。

3)根据各无人机的位置、速度信息以及障碍物位置信息控制无人机进行避障。

4)根据各无人机的位置及速度信息，判断是否相撞，只对有相撞趋势的无人机生成防碰撞斥力势场。

5)根据各无人机的位置、速度信息以及目标位置、速度信息生成李雅普诺夫导航向量场。

6)根据3)4)5)按照本发明设计的优先级顺序控制无人机的方向角速率。

2.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机群移动目标跟踪与避障防碰撞方法，其特征在于：3)中的避障方法为当无人机进入避障范围后，判断无人机是否会撞上障碍物，若会发生碰撞，则根据无人机与障碍物之间的相对位置以及无人机的速度方向决定进行顺时针或逆时针避障，避障角速度的绝对值可根据无人机速度、障碍半径、避障区域半径进行确定。

3.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机群移动目标跟踪与避障防碰撞方法，其特征在于：4)根据各无人机的位置及速度，计算各无人机之间的相对位置及相对速度，判断无人机之间是否会发生碰撞，有相撞趋势的无人机生成防碰撞斥力势场，无相撞趋势的无人机相互之间不生成防碰撞斥力势场。

4.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机群移动目标跟踪与避障防碰撞方法，其特征在于：由于固定翼无人机不能悬停，所以对目标应进行盘旋跟踪，根据李雅普诺夫原理生成5)中的导航向量场，并设计负反馈回路，使得无人机按照向量场进行飞行并对目标进行跟踪。

5.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机群移动目标跟踪与避障防碰撞方法，其特征在于：6)中设置了无人机跟踪避障的优先级顺序，将3)4)5)进行结合，得到固定翼无人机群对移动目标进行跟踪并避障的控制方法。优先级1为3)：各无人机优先避障固定障碍，避障时忽略导航向量场和防碰撞斥力场。优先级2为4)：当无人机之间判定会发生碰撞时，只生成防碰撞斥力场，直至各无人机之间不会碰撞(斥力场的特点在于无人机之间可自主根据斥力选择避撞方向)。优先级3为5)：当无人机安全飞行时，无人机按照导航向量场进行目标跟踪。