[发明专利]一种基于人工势场的无人机避障方法

说明书

本发明公开了一种基于人工势场的无人机避障方法，该方法中通过模拟目标位置具有引力场，障碍物位置具有斥力场，在引力场和斥力场的作用下，无人机避开障碍物飞向目标，通过解算出无人机上受到的引力和斥力的合力即可获知需要为无人机提供的动力，由于可能存在引力和斥力彼此抵消的情况，所以还额外设置横向避障控制力，从而避免局部最小值对无人机避障的不良影响，使得无人机能够安全、及时地避开障碍物，到达目标位置。

技术领域

本发明涉及一种无人机的避障方法，具体涉及一种基于人工势场的无人机避障方法。

背景技术

目前的避障算法分为两大类，以A*算法为代表的全局路径规划的算法，和以人工势场法为例的局部避障算法。两种算法各有优劣，A*算法可以求得全局最优解从而避免无人机陷入局部最优解，但是A*算法需要提前获知整个地图的信息且算法随着地图的增大解算时间也会延长；而人工势场法可以快速针对障碍物位置信息做出响应，方法可靠性高，不依赖环境的先验信息和障碍物形状，不受障碍物的外形影响，但是会陷入局部最优；具体来说，人工势场法的基本原理，在飞行过程中生成虚拟的两个势力场：引力场(重力势能场)，斥力场(电势场)。然后，在两个势力场联合的作用下，根据各个势力场的模型不同产生不同的作用力。

传统的人工势场法是根据受力产生特定的搜索方向，进而按照特定的步长进行路径规划，最后进行轨迹跟踪设计。

由于上述原因，本发明人对现有的人工势场的无人机避障方法做了深入研究，以期待设计出一种能够解决上述问题的新的避障方法。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种基于人工势场的无人机避障方法，该方法中直接将作用力作用在无人机上，根据势场之间的作用力计算无人机的受力情况。由于是直接作用力，所以无需考虑后续的轨迹跟踪方式，而且在避障阶段的斥力场生成方式上考虑到了无人机当前时刻的速度，因此对于无人机的速度要求比较小。只有当无人机在末端减速范围内才会限制无人机的速度和加速度，满足无人机到达的需要；该方法主要针对较高速飞行情况下简单障碍物的避障。另外，由于可能存在引力和斥力彼此抵消的情况，所以该方法中还额外设置横向避障控制力，从而避免局部最小值对无人机避障的不良影响，使得无人机能够安全、及时地避开障碍物，到达目标位置，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供以一种基于人工势场的无人机避障方法，该方法包括如下步骤：

步骤1，通过安装在无人机上的探测器实时探测障碍物的位置；

步骤2，通过螺旋桨给无人机施加动力来控制无人机飞向目标位置，所述通过螺旋桨施加给无人机的动力等于引力、斥力和横向避障控制力的合力。

其中，通过螺旋桨施加给无人机的动力如下述式(一)所述：

F(X)＝F_att(X)+F_rep(X)+F_off (一)

其中，F(X)表示通过螺旋桨施加给无人机的动力，

F_att(X)表示目标点作用在无人机上的引力，

F_rep(X)表示障碍物作用在无人机上的斥力，

F_off表示横向避障控制力。

其中，目标点作用在无人机上的引力F_att(X)通过下式(二)获得：

其中，v表示无人机的当前速度，k_v为速度反馈系数，

k表示引力正比例位置增益系数，

X_g表示目标的位置，