CN114035605A - 一种基于比例导引的飞行器避障方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于比例导引的飞行器避障方法，在无人飞行器遇到障碍物的情况下，利用其探测到的障碍物位置信息和运动信息，采用反比例导引的方法，给出避障所需的过载实现飞行器的快速机动，实现规避障碍物的目的进而完成既定的任务目标。本发明实现简单，计算量较小，且能够满足避障的时效性要求，同时也适用于对多障碍物的规避，对碰撞的判断简洁有效，且根据飞行器与障碍物的相对位置选择机动最小路径，降低了对飞行器过载的压力。由于比例导引实时规划的属性，采用本发明完成避障后，飞行器无需再回到原来的航线，直接于避障完成点再度以比例导引的方式重新规划路径到达目标点，降低了能耗。
Description
技术领域
本发明涉及导航、制导与控制领域，尤其是一种基于比例导引思想的飞行器避障方法。
背景技术
由于飞行器无人应用的快速发展、在作战对抗及民用领域所面对的任务环境也日益复杂，无人飞行器碰撞毁伤之类的事情常常发生，现阶段研究比较多的有人工势场 法和数学规划法。
根据人工势场法(APF)的概念，目标对运动体产生引力场，障碍物对运动体产 生斥力场，根据可加性原理，合力方向确定了无人机的运动方向从而达到避障目的， 有效地完成了无人机的避障任务。然而，传统的人工势场法存在局部极小值和目标不 可达等问题。为此，很多学者对其进行改进，如引入虚拟目标点，解决了人工势场法 容易陷入局部极小值的问题。或采用流函数法，该方法与人工势场法原理类似，是人 工势场法的一种变形，具有APF函数的一般特性，然而流函数法能够在一定程度上避 免局部极小问题。但是，这些类似于人工势场方法在设计时仍是要着重考虑如何避免 局部极小值的问题，为算法的设计和实现增加了难度。此外，数学规划法是指在满足 一系列约束条件下，寻找目标函数最优解的过程，是一种较为直观的方法。常用的有 A*算法、动态规划方法、模型预测控制法等，然而当动力学模型不够精确或环境约束 比较复杂时(特别对于存在多个非凸约束的情况)，数学规划法的求解难度和计算量将 快速增大，难以保证算法的时效性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于比例导引的飞行器避障方法。本发明是在比例导引原理的基础上，提出了一种反向使用比例导引的飞行器避障方法。 该方法借鉴了比例导引接近目标的思想理念，在探测到障碍物时将其反向使用，使得 飞行器能够不断的远离障碍物与其保持安全距离，达到完成规避障碍的目的。该方式 为飞行器避障的问题提供了很好的技术途径。
为了解决复杂任务环境下，无人飞行器规避障碍物以顺利完成任务的问题，本发明要解决的技术问题是：在无人飞行器遇到障碍物的情况下，利用其探测到的障碍物 位置信息和运动信息，采用反比例导引的方法，给出避障所需的过载实现飞行器的快 速机动，实现规避障碍物的目的进而完成既定的任务目标。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案具体包括以下步骤：
步骤1：根据目标的运动规划轨迹；
步骤1.1：在给出既定目标时，通过测量设备获取目标相对于自身的视线角q在三维平面内视线角，分为水平方向的方位角η和纵向的俯仰角
并记录测量时间；
步骤1.2：依据测量设备获取到的视线角速度，根据比例导引的方法，结合当前的二者的状态，得到飞行器的机动过载；Target为目标，M为飞行器，在纵向平面中采 用比例导引使得飞行器飞向指定目标；VM和VT分别为飞行器和目标的速度，q为视线角， θM和θT分别为飞行器和目标的速度倾角，ηM和ηT分别为飞行器和目标的前置角，r为 飞行器和目标之间的距离，根据比例导引得到飞行器和目标的相对运动方程及其制导 律为：
其中，ε为控制方程，K为比例系数；
步骤1.3：当路径上不存在障碍物时，飞行器可根据式(1)中比例导引的路径到 达既定目标，当发现障碍物时，进入步骤2；
步骤2：发现障碍物时，判断是否会发生碰撞；
步骤2.1：测量飞行器和障碍物之间的相对位置关系和相对距离；
根据飞行器上的探测设备，测量自身和障碍物之间的相对位置关系，获取自身和障碍物之间的相对距离，飞行器与障碍物之间的相对距离为RMO，计算公式为：
其中，(xo，yo)和(x，y)分别为障碍物和飞行器的位置；
2.2根据2.1中测量到的相对位置关系，判断是否有避障的需要；
RSafe为飞行器相对于障碍物的警报距离，需要判断相对距离为RMO和警报距离RSafe之间的关系；
当RMO≥RSafe时，说明飞行器在安全区域，无需进行机动避障；
若RMO＞RSafe，即飞行器此时处于危险区，二者有相撞的风险；此时再判断RMO的 变化律即
若
无需额外的机动；若此
需要进行机动以增大相对 距离使飞行器离开危险区，进入步骤3；
步骤3：机动避障；
3.1规避路径的选择
VMo为飞行器相对于障碍物相对速度，
为相对速度与视线的夹角，逆时针旋转为正；θM和θo分别为飞行器和障碍物的速度倾角，VM和VO分别为飞行器和障碍物的速 度；
VMO＝VM-VO (3)
当飞行器与障碍物的相对速度方向与飞行器与障碍物之间视线的夹角
为正时， 飞行器从障碍物的上方绕行，反之，则飞行器从障碍物的下方绕飞，以避免避障过程中需用过载过大超出其可用过载的限制；
3.2反比例导引避障
在飞行器接近于障碍物的过程中，飞行器速度指向目标，根据威胁判断条件结合比例导引得到如下的避障制导律，法向加速度aySO如下，其中SO表示障碍物视线坐标系，KySO为比例系数，
为相对角速度；
同时结合步骤3.1中对规避路径的选择得到：
3.2加入减速项
法向过载ny表示为：
飞行器速度VM同样对法向过载有影响，故在此基础之上再加入速度控制项，以避免需用过载过大的问题，切向加速度axSO表达式如下所示：
其中，SO表示该避障导引律是在视线坐标系下的表达式，KxSO为比例系数，RMO为飞行器和障碍物之间的相对距离。
若存在多个障碍物，各自的避障导引律在各个障碍物对应的视线坐标系下求解，随后再转换到惯性坐标系下；最后，在惯性系下将避障导引律与飞行器飞向目标的导 引律一同求和，即可得到带有减速避障的导引律；其中，旋转矩阵Li为
其中，
为目标视线与惯性坐标系x轴的夹角，逆时针为正；OiS为第i个障碍物对应的视线坐标系，i＝1…N，N为障碍物的数量；
从而可得，基于比例导引的避障导引律为
所述方位角η为目标与飞行器的连线与水平基准之间的夹角，逆时针旋转为正。
所述俯仰角
为目标与飞行器的连线与水平面之间的夹角，取值范围为 (-90°～90°)。
本发明的有益效果在于：
(1)相比于人工势场法和数学规划法，该方法实现简单，计算量较小，且能够满 足避障的时效性要求，同时也适用于对多障碍物的规避。
(2)该方法中对碰撞的判断简洁有效，且根据飞行器与障碍物的相对位置选择机动最小路径，降低了对飞行器过载的压力。
(3)由于比例导引实时规划的属性，采用该方法完成避障后，飞行器无需再回到原来的航线，直接于避障完成点再度以比例导引的方式重新规划路径到达目标点，降 低了能耗。
附图说明
图1是本发明飞行器与障碍物示意图。
图2是本发明比例导引图。
图3是本发明比例导引法避障图。
图4是本发明静止目标无障碍时的飞行轨迹。
图5是本发明运动目标无障碍时的飞行轨迹。
图6是本发明规避单障碍时的飞行轨迹。
图7是本发明规避双障碍时的飞行轨迹。
图8是本发明规避多障碍时的飞行轨迹。
图9是本发明规避运动障碍时的飞行轨迹。
图10是本发明规避运动障碍时的相对位置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的技术方案为：
步骤1：根据目标的运动规划合理的轨迹；
1.1根据飞行器上搭载的探测设备获取目标的位置和运动信息，以及二者之间的距离信息；
1.2获取自身和目标的连线与基准线之间的夹角即视线角q，同时得到视线角速率
根据比例导引的方法得到相应的机动过载；
步骤2：发现障碍物时判断是否会发生碰撞
2.1测量飞行器和障碍物之间的相对位置关系，根据飞行器和障碍物之间的相对距离和告警距离的大小关系以判断飞行器是否需要避障；
2.2根据2.1中测量到的相对位置关系，判断飞行器是否有避障的需要，当相对距离大于安全距离时，说明飞行器在安全区域，无需进行机动避障。小于安全距离时， 飞行器则处于危险区，二者有相撞的风险，随即进入步骤3。
步骤3：机动避障
3.1根据飞行器和障碍物的相对位置以及相对运动方向选择机动过载较小的规避路径。
3.2根据比例导引的思想，将比例导引成比例接近目标的特性反向使用使得飞行器远离障碍物，完成避障的目的。
3.3在常规的比例导引中加入避障相关的减速项。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
步骤1：根据目标的运动规划轨迹；
步骤1.1：在给出既定目标时，通过测量设备获取目标相对于自身的视线角q在三维平面内视线角，分为水平方向的方位角η和纵向的俯仰角
并记录测量时间；其中， 方位角为目标与飞行器的连线与水平基准之间的夹角，逆时针旋转为正，俯仰角为目 标与飞行器的连线与水平面之间的夹角，取值范围为(-90°～90°)；
步骤1.2：依据测量设备获取到的视线角速度，根据比例导引的方法，结合当前的二者的状态，得到飞行器的机动过载；如图1所示，Target为目标，M为飞行器，在 纵向平面中采用比例导引使得飞行器飞向指定目标；VM和VT分别为飞行器和目标的速 度，q为视线角，θM和θT分别为飞行器和目标的速度倾角，ηM和ηT分别为飞行器和目 标的前置角，r为飞行器和目标之间的距离，根据比例导引得到飞行器和目标的相对 运动方程及其制导律为：
其中，ε为控制方程，K为比例系数；
步骤1.3：当路径上不存在障碍物时，飞行器可根据式(1)中比例导引的路径到 达既定目标，当发现障碍物时，进入步骤2；
步骤2：发现障碍物时，判断是否会发生碰撞；
步骤2.1：测量飞行器和障碍物之间的相对位置关系和相对距离；
根据飞行器上的探测设备，测量自身和障碍物之间的相对位置关系，获取自身和障碍物之间的相对距离，飞行器与障碍物之间的相对距离为RMO，计算公式为：
其中，(xo，yo)和(x，y)分别为障碍物和飞行器的位置；
2.2根据2.1中测量到的相对位置关系，判断是否有避障的需要
RSafe为飞行器相对于障碍物的警报距离，需要判断相对距离为RMO和警报距离RSafe之间的关系即可，如图2所示；
当RMO≥RSafe时，说明飞行器在安全区域，无需进行机动避障；
若RMO＜RSafe，即飞行器此时处于危险区，二者有相撞的风险；此时再判断RMO的 变化律即
若
说明相对距离正在增大，二者碰撞的风险正在减小，飞行器 正在飞离危险区，此时也无需额外的机动；若此
则说明相对距离在不断减小， 二者的碰撞风险将会进一步增大，需要进行机动以增大相对距离使飞行器离开危险区， 进入步骤3；如图2所示；
步骤3：机动避障；
3.1规避路径的选择
VMO为飞行器相对于障碍物相对速度，
为相对速度与视线的夹角，逆时针旋转为正；θM和θO分别为飞行器和障碍物的速度倾角，VM和VO分别为飞行器和障碍物的速 度；
VMO＝VM-VO
飞行器自身的机动性能是有限的，为此需要考虑飞行器的避障路径，根据飞行方向变化最小的原则，当飞行器与障碍物的相对速度方向与飞行器与障碍物之间视线的 夹角
为正时，飞行器从障碍物的上方绕行，反之，则飞行器从障碍物的下方绕飞， 以避免避障过程中需用过载过大超出其可用过载的限制，如图3所示；
3.2反比例导引避障
在飞行器接近于障碍物的过程中，飞行器速度指向目标，根据威胁判断条件结合比例导引得到如下的避障制导律，法向加速度aySO如下，其中SO表示障碍物视线坐标系，KySO为比例系数，
为相对角速度；
同时结合步骤3.1中对规避路径的选择得到：
3.2加入减速项
法向过载ny表示为：
飞行器速度VM同样对法向过载有影响，故在此基础之上再加入速度控制项，以避免需用过载过大的问题，切向加速度axSO表达式如下所示：
其中，SO表示该避障导引律是在视线坐标系下的表达式，KxSO为比例系数，RMO为飞行器和障碍物之间的相对距离。
优选方案
若存在多个障碍物，各自的避障导引律在各个障碍物对应的视线坐标系下求解，随后再转换到惯性坐标系下；最后，在惯性系下将避障导引律与飞行器飞向目标的导 引律一同求和，即可得到带有减速避障的导引律；其中，旋转矩阵Li为
其中，
为目标视线与惯性坐标系x轴的夹角，逆时针为正；OiS为第i个障碍物对应的视线坐标系，i＝1…N，N为障碍物的数量；
从而可得，基于比例导引的避障导引律为：
仿真实施例
飞行器的初始位置为(0，0)，初始速度为220m/s，初始速度倾角为15°警报距离 为1km。在此条件下对上述方法进行仿真验证。分别在无障碍、单障碍物、双障碍物、 多障碍物和移动障碍物的情况下对该方法进行验证。
无障碍条件下静止目标的位置为(15000m，12000m)，运动目标的初始位置不变，速度为120m/s，速度倾角为15°，图4为静止目标无障碍时的飞行轨迹，图5为运动 目标无障碍时的飞行轨迹。图6、图7和图8分别为目标单障碍物、双障碍物和多障 碍物时飞行器的飞行轨迹，其中障碍物的位置分别为(5000m，2400m)、(10000m，3000m) 和(12500m，9200m)。运动障碍物的初始位置为(15000m，6000m)，速度为90m/s， 速度倾角为180°
在面对单障碍物或多障碍物时，当飞行器与障碍之间的距离小于警报距离时，采用文中所设计的导引律均可以使得飞行器顺利地避开障碍物，同时轨迹曲线变化较缓， 对飞行器的机动性能不会有过大的压力。
图10中为飞行器和障碍物在纵向平面中的相对位置。图10中三种不同颜色的图标分别表示不同时刻障碍物和飞行器的位置，正方形为飞行器，三角形为障碍物，同 种颜色表示相同的时刻。如以图中所示，针对运动障碍物，当二者的距离小于警报距 离时，飞行器开始规避障碍，该方法亦可实现避障并到达最终目标点。
此外，在各种障碍物的条件下，采用该方法完成避障后，由于比例导引实时规划的属性，飞行器无需再回到原来的航线，直接于避障完成点再度以比例导引的方式重 新规划路径到达目标点。
仿真结果充分说明了该方法的有效性和正确性。
Claims (4)
1.一种基于比例导引的飞行器避障方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：根据目标的运动规划轨迹；
步骤1.1：在给出既定目标时，通过测量设备获取目标相对于自身的视线角q在三维平面内视线角，分为水平方向的方位角η和纵向的俯仰角
并记录测量时间；
步骤1.2：依据测量设备获取到的视线角速度，根据比例导引的方法，结合当前的二者的状态，得到飞行器的机动过载；Target为目标，M为飞行器，在纵向平面中采用比例导引使得飞行器飞向指定目标；VM和VT分别为飞行器和目标的速度，q为视线角，θM和θT分别为飞行器和目标的速度倾角，ηM和ηT分别为飞行器和目标的前置角，r为飞行器和目标之间的距离，根据比例导引得到飞行器和目标的相对运动方程及其制导律为：
其中，ε为控制方程，K为比例系数；
步骤1.3：当路径上不存在障碍物时，飞行器可根据式(1)中比例导引的路径到达既定目标，当发现障碍物时，进入步骤2；
步骤2：发现障碍物时，判断是否会发生碰撞；
步骤2.1：测量飞行器和障碍物之间的相对位置关系和相对距离；
根据飞行器上的探测设备，测量自身和障碍物之间的相对位置关系，获取自身和障碍物之间的相对距离，飞行器与障碍物之间的相对距离为RMO，计算公式为：
其中，(xo，yo)和(x，y)分别为障碍物和飞行器的位置；
2.2根据2.1中测量到的相对位置关系，判断是否有避障的需要；
Rsafe为飞行器相对于障碍物的警报距离，需要判断相对距离为RMO和警报距离RSafe之间的关系；
当RMO≥Rsafe时，说明飞行器在安全区域，无需进行机动避障；
若RMO＜RSafe，即飞行器此时处于危险区，二者有相撞的风险；此时再判断RMO的变化律即
若
无需额外的机动；若此
需要进行机动以增大相对距离使飞行器离开危险区，进入步骤3；
步骤3：机动避障；
3.1规避路径的选择
VMO为飞行器相对于障碍物相对速度，
为相对速度与视线的夹角，逆时针旋转为正；θM和θO分别为飞行器和障碍物的速度倾角，VM和VO分别为飞行器和障碍物的速度；
VMO＝VM-VO (3)
当飞行器与障碍物的相对速度方向与飞行器与障碍物之间视线的夹角
为正时，飞行器从障碍物的上方绕行，反之，则飞行器从障碍物的下方绕飞，以避免避障过程中需用过载过大超出其可用过载的限制；
3.2反比例导引避障
在飞行器接近于障碍物的过程中，飞行器速度指向目标，根据威胁判断条件结合比例导引得到如下的避障制导律，法向加速度ayso如下，其中SO表示障碍物视线坐标系，Kyso为比例系数，
为相对角速度；
同时结合步骤3.1中对规避路径的选择得到：
3.2加入减速项
法向过载ny表示为：
飞行器速度VM同样对法向过载有影响，故在此基础之上再加入速度控制项，以避免需用过载过大的问题，切向加速度axso表达式如下所示：
其中，SO表示该避障导引律是在视线坐标系下的表达式，Kxso为比例系数，RMO为飞行器和障碍物之间的相对距离。
2.根据权利要求1所述的基于比例导引的飞行器避障方法，其特征在于：
若存在多个障碍物，各自的避障导引律在各个障碍物对应的视线坐标系下求解，随后再转换到惯性坐标系下；最后，在惯性系下将避障导引律与飞行器飞向目标的导引律一同求和，即可得到带有减速避障的导引律；其中，旋转矩阵Li为
其中，
为目标视线与惯性坐标系x轴的夹角，逆时针为正；OiS为第i个障碍物对应的视线坐标系，i＝1…N，N为障碍物的数量；
从而可得，基于比例导引的避障导引律为
3.根据权利要求1所述的基于比例导引的飞行器避障方法，其特征在于：
所述方位角η为目标与飞行器的连线与水平基准之间的夹角，逆时针旋转为正。
4.根据权利要求1所述的基于比例导引的飞行器避障方法，其特征在于：
所述俯仰角
为目标与飞行器的连线与水平面之间的夹角，取值范围为(-90°～90°)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |