[发明专利]一种无人机编队队形变换与在线动态避障方法

说明书

本发明公开了一种无人机编队队形变换与在线动态避障方法，属于无人机的技术领域。具体包括以下步骤：步骤一、通过人工势场算法计算出无人机斥力场、斥力及无人机受到的合力；步骤二、对步骤一种的人工势场算法计算进行改进；步骤三、结合改进的人工势场算法计算，提出了一种基于Kernel方法的期望路径平滑策略用于解决无人机在避障过程中频繁进出障碍物膨胀区域，造成存在期望路径折线过多、拐点角度大的问题；步骤四、设计机间避障算法，用于实现无人机相互之间的避让。本发明根据固定翼无人机的飞行特性，设计了机间避障人工势场，使得多机在编队飞行时，即不会飞入静态障碍物区域也不会和其他飞机发生碰撞。

技术领域

本发明属于无人机的技术领域，特别是涉及一种无人机编队队形变换与在线动态避障方法。

背景技术

无人机编队飞行时，编队内部各机之间必须保持一定的安全距离，因此在线动态是必不可少的。目前成熟的避障与路径规划算法有人工势场法、蚁群算法、快速扩展随机数法、Voronoi图法和A*算法等。这些方法根据对周围环境的感知情况，可以分为全局规划和局部规划。全局规划已知全局信息，局部规划对全局信息未知，只能结合自身传感器实现对自身局部信息的感知。动态环境下的无人机编队避障以及避障后路径重规划是集群技术领域的一个热点和难点，运动情况下的无人机之间的碰撞也会造成很大的损失，因此实时避障对于飞行中的编队飞机来说尤其重要。

发明内容

本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，提出了一种无人机编队队形变换与在线动态避障方法。

本发明采用以下技术方案来实现：一种无人机编队队形变换与在线动态避障方法，具体包括以下步骤：

步骤一、通过人工势场算法计算出无人机斥力场、斥力及无人机受到的合力；

步骤二、对步骤一种的人工势场算法计算进行改进；

步骤三、结合改进的人工势场算法计算，提出了一种基于Kernel方法的期望路径平滑策略用于解决无人机在避障过程中频繁进出障碍物膨胀区域，造成存在期望路径折线过多、拐点角度大的问题；

步骤四、设计机间避障算法，用于实现无人机相互之间的避让；

其中，所述步骤一具体包括：

定义无人机的位置为q，则无人机在q点的引力场函数U_att(q)和引力F_att(q)分别满足以下公式：

式中，λ表示引力增益，ρ_α(q)表示q点到目标a之间的距离；

无人机在q点的斥力场和斥力为：

η为斥力增益，ρ₀为障碍物的最大影响半径，

ρ_r(q)为q点到障碍物r的距离；

无人机所受到的合力F为：

F＝F_att+F_rep

F_att为目标对无人机的引力，F_rep为障碍物对无人机的斥力，定义障碍物对无人机的斥力和目标点对无人机的引力分别为对应斥力场和引力场的负梯度，则q点受到目标点的引力F_att(q)和障碍物的斥力F_rep(q)分别为该点引力势函数和斥力势函数的负梯度，

假设同时具有N个障碍物对无人机影响是，根据叠加原理，无人机的合力F为：