[发明专利]一种多无人飞行器协调避碰导引规划方法

说明书

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种多无人机协调避碰导引规划方法。

背景技术

以无人机为代表的新一代无人飞行器(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)要替代有人驾驶飞机在具有非结构化环境中执行各类任务，也开始具备一定的自主飞行能力。由于多机共同执行任务会产生很强大的功能，也有很广阔的应用前景，已经得到人们越来越多的关注。在对多无人机之间的避碰导引飞行中，目前一般将其它无人飞行器视为移动的障碍物来进行避碰，没有采用协调策略，这样可能会使编队内多个无人飞行器同时进行机动，导致编队内所有飞行器都偏离期望位置太远或发生震荡，影响到达时间，从而不能有效发挥多机协同的效能。

这个问题如果不能得到很好的解决，就不能很好的控制导引规划的收敛性能和抗扰动能力，也难以实现多机的协调控制，因此提出多无人机在复杂动态环境下的避碰协调策略。

在遭遇到非预见的威胁或者任务变更时，自主式UAV必须在线自主规划新的航迹。由于UAV平台是高速实时运动的，平台的自主控制系统必须实时操作和计算，因此，很多耗时、计算量大的离线方法和一些智能优化算法将很难直接适用与UAV的航迹规划。

有的文献基于随机搜索的规划方法，比如快速搜索随机树法、遗传算法、稀疏A*算法等，通过将目标区域进行划分，找出能避碰的航迹点，UAV沿着航迹点飞行至目标点，使其满足UAV最小转弯半径等的需求。但上述随机搜索方法比较耗时，且需根据航迹点对航迹进行平滑。

一些学者提出应用曲线来直接规划整个航迹，目前，Pythagorean Hodograph(PH)曲线被广泛应用于飞行器的在线航迹规划中，其具有曲率连续、能克服传感器的不确定性及航迹上的点能精确可知的优点，PH曲线生成可基于Bézier样条曲线，因此其还拥有Bézier曲线规划的优点。其中五次PH曲线是最低阶含有拐点的PH曲线。拐点使航迹有更好的柔性，进而能更好的规划航迹。发明内容

为了解决目前多无人机之间避碰导引飞行中由于没有采用有效的协调策略而导致的多机协同效能不能有效发挥的问题，本发明的发明目的在于提供一种多无人飞行器协调避碰导引规划方法，本发明基于Pythagorean Hodograph(PH)曲线航迹的全局规划与基于相互速度避碰原则的Legendre伪谱法局部规划相结合的航迹规划方法，可用于处理多无人飞行器及其它自主运动的多运动体避碰的情况。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种多无人飞行器协调避碰导引规划方法，包含以下步骤：

1)根据各UAV规划的起始点、结束点及运动速度方向，按照PH曲线的生成方法，结合各UAV飞行时的动态性能约束，给出各UAV的PH曲线航迹作为全局规划航迹；

2)根据各PH曲线航迹来判断各UAV之间是否会发生碰撞及碰撞点，求出碰撞点位置后，根据UAV速度大小，计算碰撞时间；

3)若存在碰撞，则对UAV进行速度大小和方向的改变，对单个UAV可能与多个UAV发生碰撞的情况，采用速度障碍方法计算出各UAV的相对避碰区域作局部避碰规划；

4)以相对避碰区域的开始点作为局部规划航迹的起点，采用伪谱法生成局部规划航迹，将UAV引入局部规划航迹；

5)判断局部规划航迹是否已到达局部避碰规划的终点，若是，则UVA转入全局规划航迹。

依据上述特征，所述步骤1)中动态性能约束包含以下约束条件：

条件1：UAV飞行路径上的z坐标不能超过最大爬升高度；

条件2：UAV飞行路径上的速度方向与水平面的夹角不能超过最大爬升角；

条件3：UAV飞行路径上的曲率绝对值不能大于最大曲率；

条件4：UAV飞行路径上的挠率绝对值不能大于最大挠率。

依据上述特征，所述步骤3)中在作局部避碰规划时包含以下步骤：

步骤3.1)、给出各UAV与其它UAV的所有平均避碰区域，根据各平均避碰区域给出避碰交集区域，UAV的新速度方向在此区域中选择；

步骤3.2)、根据各UAV的优先级对避碰的权重系数进行调整，优先级较高的UAV承担较少的避碰任务，所述权重系数根据各预测避碰点处的可能碰撞时间、偏离原航线的程度、偏离目标点的距离进行加权。

依据上述特征，所述步骤4)包含以下步骤：