CN111966091A - 一种多智能飞行器协同运输系统的避障导航方法 - Google Patents

一种多智能飞行器协同运输系统的避障导航方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多智能飞行器协同运输系统的避障导航方法，针对智能飞行器间的距离约束，定义距离约束虚拟力；针对智能飞行器的避障导航，定义避障导航虚拟力；将虚拟力同时作用于智能飞行器的水平位置控制。不同于传统leader‑follower编队方法维持刚性队形，本发明的队形可以根据环境障碍物情形自适应改变。不同于传统多智能体避障问题，本发明考虑的多智能体进行了协同任务，其距离是有着约束，因此更具有困难性和挑战性。

Description

一种多智能飞行器协同运输系统的避障导航方法
技术领域
本发明属于多智能体协同领域，涉及一种多智能飞行器协同运输系统的避障导航方法。
背景技术
在生产生活中，协同作业往往会比单个作业更有效率，多智能飞行器协同运输相比于单个智能飞行器拥有更大的载荷能力，能突破单个个体的载荷能力，将会是未来空中运输的一种重要手段。
避障导航是任何智能飞行器都需要解决的问题，不同于传统的单个个体避障导航，协同运输的各个个体享有一个相同的运输任务，因此对于同一障碍物应当有相同的避障决策，一种已经应用的方法是使用leader-follower编队方法，认为指定一个个体为leader或设置一个虚拟leader，然后每个follower与leader保持一个相对位置以实现阵型保持。但是本方法维持的是一个刚性的队形，队形无法针对于障碍物环境进行自适应变化，协同性欠缺。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种多智能飞行器协同运输系统的避障导航方法，解决针对多智能飞行器协同运输系统在空中运输时的二维避障导航问题。
技术方案
一种多智能飞行器协同运输系统的避障导航方法，其特征在于：多智能飞行器运输系统包含n架智能飞行器，每架智能飞行器用一根绳子连接载荷；第i架智能飞行器的位置为pi＝[xi yi]T，整个智能飞行器团队位置
Figure BDA0002590410340000011
环境中有m个障碍物，第j个障碍物中心在qj＝[xoj yoj]，障碍物的半径为rj，运输目标点qt＝[xt yt]；导航步骤如下：
步骤1：定义智能飞行器间的距离约束虚拟力：
Figure BDA0002590410340000021
其中pij＝pi-pj；
pi表示第i架智能飞行器的xOy平面位置，这里k3＞0，lmin＞R2＞R1＞dmin，lmin为智能飞行器与载荷连接的最短绳长为lmin，dmin为智能飞行器位置控制允许的最小飞行距离；
步骤2：定义智能飞行器的避障导航虚拟力：
d2i＝dci+dai
Figure BDA0002590410340000022
Figure BDA0002590410340000023
G3(·)和G4(·)是定义的势函数：
Figure BDA0002590410340000024
Figure BDA0002590410340000025
其中f3＞0，f4＞0，R3＞0，R4＞0；
步骤3：将虚拟力同时作用于智能飞行器的水平位置的避障控制u：
Figure BDA0002590410340000026
其中，
Figure BDA0002590410340000027
为第i架智能飞行器的原水平位置控制输入。
所述n>2。
有益效果
本发明提出的一种多智能飞行器协同运输系统的避障导航方法，针对智能飞行器间的距离约束，定义距离约束虚拟力；针对智能飞行器的避障导航，定义避障导航虚拟力；将虚拟力同时作用于智能飞行器的水平位置控制。
本发明相比于现有技术，有以下优势：
第一，不同于传统leader-follower编队方法维持刚性队形，本发明的队形可以根据环境障碍物情形自适应改变。
第二，不同于传统多智能体避障问题，本发明考虑的多智能体进行了协同任务，其距离是有着约束，因此更具有困难性和挑战性。
附图说明
图1：多智能体协同运输系统
图2：多智能避体协同运输障导航结果
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
多智能飞行器运输系统包含n(n>2)架智能飞行器，每架智能飞行器用一根绳子连接载荷，如图1所示。
本发明考虑多智能飞行器在xOy的避障导航问题，第i架智能飞行器的位置为pi＝[xi yi]T。整个智能飞行器团队被视为一个leaderless团体，每个智能飞行器在团队中都有相同的地位，定义团队的位置pc：
Figure BDA0002590410340000031
环境中有m个障碍物，第j个障碍物中心在qj＝[xoj yoj]，障碍物大小可以用其半径rj来表示。
环境中有唯一的运输目标点qt＝[xt yt]。
智能飞行器团队将在运输飞行过程中，避开障碍物，趋近运输目标点，并在行进过程中，各个智能飞行器个体根据障碍物环境有自适应阵型变化。
具体实施步骤如下：
第一步，针对智能飞行器间的距离约束，定义如下虚拟力。
Figure BDA0002590410340000041
其中pij＝pi-pj。
pi表示第i架智能飞行器的xOy平面位置，这里k3＞0，lmin＞R2＞R1＞dmin是根据系统物理连接结构和只能飞行器稳定控制能力决定的参数，其中lmin为智能飞行器与载荷连接的最短绳长为lmin，dmin为智能飞行器位置控制允许的最小飞行距离。
第二步，针对智能飞行器的避障导航，定义如下虚拟力。
d2i＝dci+dai
Figure BDA0002590410340000042
Figure BDA0002590410340000043
G3(·)和G4(·)是定义的势函数：
Figure BDA0002590410340000044
Figure BDA0002590410340000045
其中f3＞0，f4＞0，R3＞0，R4＞0。
dci表示智能飞行器集体的避障导航方案，他们远离障碍物并逼近运输目标点，dai表示各个智能飞行器个体对于障碍物环境的自适应变化。
第三步，将虚拟力同时作用于智能飞行器的水平位置控制。
Figure BDA0002590410340000051
其中，
Figure BDA0002590410340000052
为第i架智能飞行器的水平位置控制输入。
根据如上所述步骤，仿真结果如图2所示，结果显示智能飞行器在穿越狭窄的障碍物通道时，能够收缩阵型，多智能飞行器能根据障碍物环境改变阵型，适应狭窄通道。

Claims (2)

1.一种多智能飞行器协同运输系统的避障导航方法，其特征在于：多智能飞行器运输系统包含n架智能飞行器，每架智能飞行器用一根绳子连接载荷；第i架智能飞行器的位置为pi＝[xi yi]T，整个智能飞行器团队位置
Figure FDA0002590410330000011
环境中有m个障碍物，第j个障碍物中心在qj＝[xoj yoj]，障碍物的半径为rj，运输目标点qt＝[xt yt]；导航步骤如下：
步骤1：定义智能飞行器间的距离约束虚拟力：
Figure FDA0002590410330000012
其中pij＝pi-pj；
pi表示第i架智能飞行器的xOy平面位置，这里k3＞0，lmin＞R2＞R1＞dmin，lmin为智能飞行器与载荷连接的最短绳长为lmin，dmin为智能飞行器位置控制允许的最小飞行距离；
步骤2：定义智能飞行器的避障导航虚拟力：
d2i＝dci+dai
Figure FDA0002590410330000013
Figure FDA0002590410330000014
G3(·)和G4(·)是定义的势函数：
Figure FDA0002590410330000015
Figure FDA0002590410330000016
其中f3＞0，f4＞0，R3＞0，R4＞0；
步骤3：将虚拟力同时作用于智能飞行器的水平位置的避障控制u：
Figure FDA0002590410330000021
其中，
Figure FDA0002590410330000022
为第i架智能飞行器的原水平位置控制输入。
2.根据权利要求1所述多智能飞行器协同运输系统的避障导航方法，其特征在于：所述n>2。
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090299551A1 (en) * 2008-05-27 2009-12-03 Wilfred So System and method for multiple aircraft lifting a common payload
CN104808668A (zh) * 2015-04-28 2015-07-29 东南大学 基于力信息的多移动机器人协作搬运平板状物体方法
CN107219857A (zh) * 2017-03-23 2017-09-29 南京航空航天大学 一种基于三维全局人工势函数的无人机编队路径规划算法
KR20170143133A (ko) * 2016-06-20 2017-12-29 서울대학교산학협력단 장애물 회피 경로 생성 및 제어에 의한 협업 비행 운송 시스템 및 방법
CN207860461U (zh) * 2018-01-31 2018-09-14 北京京东尚科信息技术有限公司 无人机群连接装置及无人机群载货系统
CN108549407A (zh) * 2018-05-23 2018-09-18 哈尔滨工业大学（威海） 一种多无人机协同编队避障的控制算法
CN109917811A (zh) * 2019-04-12 2019-06-21 中国人民解放军国防科技大学 一种无人机集群协同避障-重构处理方法
CN110928322A (zh) * 2019-12-09 2020-03-27 大连理工大学 四旋翼飞行器运送悬挂负载的非线性运动控制方法
CN111273685A (zh) * 2020-01-21 2020-06-12 沈阳航空航天大学 一种异构多无人机自主聚集、分离及合并集群方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090299551A1 (en) * 2008-05-27 2009-12-03 Wilfred So System and method for multiple aircraft lifting a common payload
CN104808668A (zh) * 2015-04-28 2015-07-29 东南大学 基于力信息的多移动机器人协作搬运平板状物体方法
KR20170143133A (ko) * 2016-06-20 2017-12-29 서울대학교산학협력단 장애물 회피 경로 생성 및 제어에 의한 협업 비행 운송 시스템 및 방법
CN107219857A (zh) * 2017-03-23 2017-09-29 南京航空航天大学 一种基于三维全局人工势函数的无人机编队路径规划算法
CN207860461U (zh) * 2018-01-31 2018-09-14 北京京东尚科信息技术有限公司 无人机群连接装置及无人机群载货系统
CN108549407A (zh) * 2018-05-23 2018-09-18 哈尔滨工业大学（威海） 一种多无人机协同编队避障的控制算法
CN109917811A (zh) * 2019-04-12 2019-06-21 中国人民解放军国防科技大学 一种无人机集群协同避障-重构处理方法
CN110928322A (zh) * 2019-12-09 2020-03-27 大连理工大学 四旋翼飞行器运送悬挂负载的非线性运动控制方法
CN111273685A (zh) * 2020-01-21 2020-06-12 沈阳航空航天大学 一种异构多无人机自主聚集、分离及合并集群方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
NORIO INOU,等: "Cooperative Conveyance of an Object with Tethers by Two Mobile Robots", 《PROCEEDING OF THE 11TH WORLD CONGRESS IN MECHANISM AND MACHINE SCIENCE》, 4 April 2004 (2004-04-04), pages 1 - 6 *
XIAOZHEN ZHANG,等: "Distributed Control for Cooperative Transportation in Presence of Unknown Disturbance", 《PROCEEDINGS OF THE 2019 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON REAL-TIME COMPUTING AND ROBOTICS》, 9 August 2019 (2019-08-09), pages 772 - 777, XP033744629, DOI: 10.1109/RCAR47638.2019.9044011 *
郑重，等: "考虑避免碰撞的编队卫星自适应协同控制", 《航空学报》, vol. 34, no. 8, 25 August 2013 (2013-08-25), pages 1934 - 1943 *

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