CN111966125B - 一种基于改进人工势场的无人机航迹避障重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机航迹规划技术领域，公开了一种基于改进人工势场的无人机航迹避障重构方法，通过构建无人机飞行过程中的虚拟人工势场和无人机的避障边界，虚拟人工势场包括目标物对无人机的引力场和障碍物对无人机的斥力场，使无人机由目标物对无人机的吸引力F₁与障碍物对无人机的排斥力F₂的矢量和F牵引无人机飞行；当矢量和F与F₁之间的夹角大于90°时，通过选取一个虚拟点S计算虚拟点S对无人机的吸引力与排斥力F₂的矢量和F′，使F′与F₁之间的夹角为锐角，由F′提供无人机的牵引力飞行，直至无人机逃离障碍物或矢量和F与F₁之间的夹角为锐角后，解除虚拟点S的牵引力，并重新由矢量和F提供无人机的牵引力飞行，直至无人机到达目标物。

Description

一种基于改进人工势场的无人机航迹避障重构方法

技术领域

本发明涉及无人机航迹规划技术领域，具体涉及一种基于改进人工势场的无人机航迹避障重构方法。

背景技术

人工势场法的基本原理就是将无人机假设成一个点，该点在一个虚拟力场中运动，虚拟力场是由目标物对无人机的引力场和障碍物对无人机的斥力场组成。引力场由目标物产生，斥力场是由所有的障碍物产生的和力场组成。因此，人工势场法的势场函数定义为引力场与斥力场的矢量和。

传统的人工势场只考虑了无人机在吸引力和排斥力的合力作用下飞行的情况，但是当无人机所受引力与斥力大小相等、方向相反时，无人机所受合力为0，此时无人机陷入了局部极小值点。在局部极小值点周围的各个位置的合力都指向局部极小值，导致无人机在局部极小值点周围振荡，无法自行走出该区域。

此外，当无人机飞行过程中靠近障碍物后，障碍物对无人机的排斥力越来越大，使得合力与原目标物对无人机产生的吸引力之间的夹角为钝角，此时无人机朝远离目标物的方向飞行，无人机无法避开障碍物飞向目标物。

发明内容

基于以上问题，本发明提供一种基于改进人工势场的无人机航迹避障重构方法，通过构建无人机飞行过程中的虚拟人工势场和无人机的避障边界，虚拟人工势场包括目标物对无人机的引力场和障碍物对无人机的斥力场，使无人机由目标物对无人机的吸引力F₁与障碍物对无人机的排斥力F₂的矢量和F牵引无人机飞行；当矢量和F与F₁之间的夹角大于90°时，通过选取一个虚拟点S计算虚拟点S对无人机的吸引力与排斥力F₂的矢量和F′，使F′与F₁之间的夹角为锐角，由F′提供无人机的牵引力飞行，直至无人机逃离障碍物或矢量和F与F₁之间的夹角为锐角后，解除虚拟点S的牵引力，并重新由矢量和F提供无人机的牵引力飞行，直至无人机到达目标物。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于改进人工势场的无人机航迹避障重构方法，包括如下步骤：

S1、获取无人机初始位置与目标物，获得无人机的初始航向轨迹，并建立目标物对无人机虚拟等效人工势场，使无人机在目标物的吸引力F₁作下驱动无人机向目标物飞行，吸引力F₁的大小为

K₁为引力增益常数，

为无人机与目标物之间的初始距离；

S2、利用无人机视野获取目标物与无人机之间的障碍物信息，以无人机为中心，建立半径为R的无人机的避障边界；

S3、无人机飞行过程中遇到障碍物，当障碍物触及到无人机的避障边界时，建立障碍物对无人机的排斥力F₂，排斥力的大小与无人机距障碍物的距离关系为：

其中F₂的方向由障碍物指向无人机方向，K₂为斥力常数，d为无人机与障碍物之间的距离；此时无人机的虚拟等效人工势场对无人机的作用力为目标物对无人机的吸引力与障碍物对无人机的排斥力的矢量和F；

S4、当某一时刻矢量和F与F₁之间的夹角大于90°时，即cos<F，F₁>≤0，无人机无法避开障碍物飞向目标物；此时在无人机与目标物之间的连线相垂直且经过目标物的直线上随机选取一个虚拟点S，计算虚拟点S对无人机的吸引力与排斥力F₂的矢量和F′，并判断cos<F₁，F′>是否大于0，若cos<F₁，F′>小于等于0，则重新选择随机点S并判断cos<F₁，F′>是否大于0；若大于0则表示F′与F₁之间的夹角为锐角，由F′提供无人机的牵引力飞行，直至无人机逃离障碍物或cos<F，F₁>＞0，此时解除虚拟点S的牵引力，并重新由矢量和F提供无人机的牵引力飞行，直至无人机到达目标物。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过构建无人机飞行过程中的虚拟人工势场和无人机的避障边界，虚拟人工势场包括目标物对无人机的引力场和障碍物对无人机的斥力场，使无人机由目标物对无人机的吸引力F₁与障碍物对无人机的排斥力F₂的矢量和F牵引无人机飞行；当矢量和F与F₁之间的夹角大于90°时，通过选取一个虚拟点S计算虚拟点S对无人机的吸引力与排斥力F₂的矢量和F′，若F′与F₁之间的夹角为大于90°，则重新选取虚拟点S；若F′与F₁之间的夹角为锐角，由F′提供无人机的牵引力飞行，直至无人机逃离障碍物或矢量和F与F₁之间的夹角为锐角后，解除虚拟点S的牵引力，并重新由矢量和F提供无人机的牵引力飞行，直至无人机到达目标物。

附图说明

图1为实施例中基于改进人工势场的无人机航迹避障重构方法的流程图；

图2为实施例中基于改进人工势场的无人机航迹避障重构方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

参见图1，一种基于改进人工势场的无人机航迹避障重构方法，包括如下步骤：

S1、获取无人机初始位置与目标物，获得无人机的初始航向轨迹，并建立目标物对无人机虚拟等效人工势场，使无人机在目标物的吸引力F₁作下驱动无人机向目标物飞行，吸引力F₁的大小为

K₁为引力增益常数，

为无人机与目标物之间的初始距离；

S2、利用无人机视野获取目标物与无人机之间的障碍物信息，以无人机为中心，建立半径为R的无人机的避障边界；

S3、无人机飞行过程中遇到障碍物，当障碍物触及到无人机的避障边界时，建立障碍物对无人机的排斥力F₂，排斥力的大小与无人机距障碍物的距离关系为：

其中F₂的方向由障碍物指向无人机方向，K₂为斥力常数，d为无人机与障碍物之间的距离，实际飞行过程中存在多个障碍物时，F₂为多个障碍物对无人机的排斥力的矢量和；此时无人机的虚拟等效人工势场对无人机的作用力为目标物对无人机的吸引力与障碍物对无人机的排斥力的矢量和F；

在本实施例中，通过虚拟人工势场，由目标物对无人机的引力场和障碍物对无人机的斥力场组成。引力场由目标物产生，斥力场是由所有的障碍物产生的和力场组成，当无人机与障碍物之间的距离小于等于避障边界时，障碍物对无人机产生排斥力；此时无人机飞行过程由目标物提供的吸引力和障碍物产生的排斥力的合力F使得无人机飞向目标物。

S4、当某一时刻矢量和F与F₁之间的夹角大于90°时，即cos<F，F₁>≤0，此时存在两种情况：

1)无人机所受引力与斥力大小相等、方向相反时，无人机所受合力为0，此时无人机陷入了局部极小值点。在局部极小值点周围的各个位置的合力都指向局部极小值，导致无人机在局部极小值点周围振荡，无法自行走出该区域；

2)当或者无人机飞行过程中靠近障碍物后，障碍物对无人机的排斥力越来越大，使得合力F与原目标物对无人机产生的吸引力F₁之间的夹角为钝角，此时无人机朝远离目标物的方向飞行，无人机无法避开障碍物飞向目标物；

因此，当判断到cos<F，F₁>≤0时，在无人机与目标物之间的连线相垂直且经过目标物的直线上随机选取一个虚拟点S，如图2所示，图中矩形表示目标物，圆形表示障碍物；计算虚拟点S对无人机的吸引力与排斥力F₂的矢量和F′，并判断cos<F₁，F′>是否大于0，若cos<F₁，F′>小于等于0，则重新选择随机点S并判断cos<F₁，F′>是否大于0；若大于0则表示F′与F₁之间的夹角为锐角，由F′提供无人机的牵引力飞行，直至无人机逃离障碍物或cos<F，F₁>>0，此时解除虚拟点S的牵引力，并重新由矢量和F提供无人机的牵引力飞行，直至无人机到达目标物。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于改进人工势场的无人机航迹避障重构方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取无人机初始位置与目标物，获得无人机的初始航向轨迹，并建立目标物对无人机虚拟等效人工势场，使无人机在目标物的吸引力F₁作下驱动无人机向目标物飞行，吸引力F₁的大小为

K₁为引力增益常数，

为无人机与目标物之间的初始距离；

S2、利用无人机视野获取目标物与无人机之间的障碍物信息，以无人机为中心，建立半径为R的无人机的避障边界；

S3、无人机飞行过程中遇到障碍物，当障碍物触及到无人机的避障边界时，建立障碍物对无人机的排斥力F₂，排斥力的大小与无人机距障碍物的距离关系为：

其中F₂的方向由障碍物指向无人机方向，K₂为斥力常数，d为无人机与障碍物之间的距离；此时无人机的虚拟等效人工势场对无人机的作用力为目标物对无人机的吸引力与障碍物对无人机的排斥力的矢量和F；

S4、当某一时刻矢量和F与F₁之间的夹角大于90°时，即cos<F，F₁>≤0，无人机无法避开障碍物飞向目标物；此时在无人机与目标物之间的连线相垂直且经过目标物的直线上随机选取一个虚拟点S，计算虚拟点S对无人机的吸引力与排斥力F₂的矢量和F′，并判断cos<F₁，F′>是否大于0，若cos<F₁，F′>小于等于0，则重新选择随机点S并判断cos<F₁，F′>是否大于0；若大于0则表示F′与F₁之间的夹角为锐角，由F′提供无人机的牵引力飞行，直至无人机逃离障碍物或cos<F，F₁>＞0，此时解除虚拟点S的牵引力，并重新由矢量和F提供无人机的牵引力飞行，直至无人机到达目标物。

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