[发明专利]一种基于速度势场的无人机避障方法和系统

说明书

本申请提供了一种基于速度势场的无人机避障方法和系统，用于控制无人机有效地规避高速移动障碍物，该方法包括：根据无人机的位置和速度、障碍物的位置和速度，检测无人机和障碍物的碰撞可能性；若无人机与障碍物存在碰撞可能性，计算引力场对无人机产生的引力、改进的斥力场对无人机产生的斥力以及速度势场对无人机产生的速度势场力；根据所述引力、改进的斥力场对无人机产生的斥力和速度势场力，计算无人机第i步所受合力，其中，i取值为正整数；根据无人机第i步所受合力，计算得到无人机第i步的方向单位角，并根据方向单位角计算无人机下一步运动的速度矢量、俯仰角和偏航角，控制无人机避开障碍物。

技术领域

本申请涉及无人机航迹规划技术领域，特别涉及一种基于速度势场的无人机避障方法和系统。

背景技术

无人机(Unmanned Aerial Vehicle，简称UAV)是一种依靠自主操控或受无线遥控的不载人飞行器。近年来，随着无人机相关技术的发展，无人机逐渐从军事领域进入民用领域，特别在农业植保、民用航拍、编队表演等场合发挥了重要作用。

无人机作为一种具备极高机动性、可自动化和智能化飞行的设备，在飞行过程中需要对其运动轨迹进行规划，以保障无人机规避障碍物，同时高效到达目标点。完善的航迹规划和自动避障能够很大程度上减少无人机因碰撞造成损毁，同时提高无人机在复杂环境下执行任务的成功率。

传统无人机避障算法包括Voronoi图法、A星算法、Dijkstra算法、D星算法、人工势场法等等。其中，人工势场法由于结构简单，易于建模和应用，实时性能良好的显著优点，在无人机避障规划中应用广泛。

人工势场法的基本思想是将无人机的飞行运动看作是在障碍物对其产生的斥力与目标点对其产生的引力所组成的合力驱动下的空间运动，其中，障碍物对无人机产生的斥力指引无人机避开障碍物，目标点对无人机产生的引力指引无人机向目标点运动。

目前，人工势场法能够解决无人机飞行过程中实时路径规划和避开低速运动障碍物，无法应对实时、高速移动的障碍物，特别是当障碍物速度接近甚至大于无人机飞行速度时障碍物规避问题。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种基于速度势场的无人机避障方法和系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请提供了一种基于速度势场的无人机避障方法，包括：

步骤S1、根据无人机的位置和速度、障碍物的位置和速度，检测无人机和障碍物的碰撞可能性；

步骤S2、若无人机与障碍物存在碰撞可能性，计算引力场对无人机产生的引力、改进的斥力场对无人机产生的斥力以及速度势场对无人机产生的速度势场力，其中，所述引力场是目标点对无人机产生引力的势场，方向从无人机位置指向目标点，使无人机向目标点运动，所述斥力场是障碍物对无人机产生斥力的势场，控制无人机规避障碍物，速度势场为与无人机速度矢量的方向、障碍物速度矢量的方向均垂直的势场，对无人机产生速度势场力，控制无人机规避运动障碍物；

步骤S3、根据步骤S20所述引力、斥力和速度势场力，计算无人机第i步所受合力，其中，i取值为正整数；

步骤S4、根据无人机第i步所受合力，计算得到无人机第i步的方向单位角，并根据方向单位角计算无人机下一步运动的速度矢量、俯仰角和偏航角，控制无人机避开障碍物。

优选的，在步骤S1中，按照碰撞锥检测条件，对所述无人机和障碍物的碰撞可能性进行检测；所述碰撞锥检测条件为：