[发明专利]一种基于控制参数化的无人机路径规划方法

权利要求书

1.一种基于控制参数化的无人机路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

(S1)非线性规划建模：根据无人机的非线性动力学方程选取状态变量和控制变量并将其改写为状态空间模型的形式，利用无人机自身的性能指标约束和环境中的障碍物约束，建模为无人机连续状态不等式约束，把无人机的初始状态和目标点作为边界约束条件，把无人机飞行时间作为优化的目标函数，将无人机路径规划问题转化为无人机的最小化飞行时间的非线性最优控制问题，求解最优的控制变量u(t)使得飞行时间T最小，并满足各项约束条件；

(S2)控制参数化：选取等间隔的p+1个点，把[0，T]分成p段，选取的点τ为0＝τ₀τ₁τ₂…τ_p-1τ_p＝T，根据公式i＝1,2,3,4将控制变量u(t)转化为多段分段的常量，定义基于无人机飞行时间作为优化的目标函数，采用时间压缩的方法，无人机控制状态可转化为其中，X为状态变量，s为被压缩的时间变量，当p足够大时，该式的次优解为无人机的最小化飞行时间的非线性最优控制问题的最优解；

(S3)约束转录处理：采用约束转录方法把无人机连续状态不等式约束转化为积分等式约束，并对该积分等式约束进行局部平滑处理，获得转化后的约束条件；

(S4)利用梯度下降算法对转化后的约束条件进行优化，将无人机轨迹规划问题转化为非线性优化问题，使用MISER3.2软件进行求解，获得无人机基于控制参数化的最优路径规划结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于控制参数化的无人机路径规划方法，其特征在于，所述步骤(S1)中，根据无人机的非线性动力学方程选取状态变量和控制变量并将其改写为状态空间模型形式的过程为：

设定无人机运动学模型如下：

其中，x,y,z是无人机在空间中的位置坐标，θ，ψ,是三个欧拉角，分别代表俯仰角、滚转角和偏航角，g是重力加速度，L是无人机电机到重心的臂长，m是无人机的总质量，I_x,I_y,I_z是无人机分别对每个轴的转动惯量，K₁，K₂,K₃，K₄，K₅，K₆是空气阻力系数，u₁,u₂,u₃,u₄是如下定义的虚拟的控制输入量：

F_i＝K_vω_i²,i＝1,2,3,4

式中，F_i是第i个电机产生的推力，C是推力和力矩的转化因子，ω_i是第个电机的转速，K_v是推力系数；

状态变量定义如下：

控制变量定义如下：

u＝[u₁ u₂ u₃ u₄]^T

将所述无人机运动学模型改写为状态空间表达式的形式如下：

3.根据权利要求2所述的一种基于控制参数化的无人机路径规划方法，其特征在于，所述步骤(S1)中，环境中的障碍物约束包括根据p-norm规则建立的用来模拟无人机在城市飞行环境的第一环境约束，采用如下不等式表示：

式中，(x_c,y_c，z_c)是障碍物的中心坐标，a，b，c代表障碍物分别沿着x、y和z方向的半径，p_x，p_y和p_z是用来定义障碍物形状的整数。