[发明专利]一种面向城市空间的多旋翼无人机路径规划方法

说明书

本发明公开了一种面向城市空间的多旋翼无人机路径规划方法，具体步骤为：步骤1，确定多旋翼无人机动力学模型；步骤2，确定多旋翼无人机轨迹优化约束条件及优化指标；步骤3、建立多旋翼无人机动力学模型与障碍物约束线性化；步骤4、建立多旋翼无人机动力学方程及约束条件离散化；步骤5，求解完成面向城市空间的多旋翼无人机路径规划。面向城市环境进行约束条件设置，以能量消耗最低作为优化指标建立多旋翼无人机城市路径规划方程，通过线性化、离散化进行问题转换，通过内点法进行问题求解，降低了问题复杂度，提升了计算效率。有效提升了多旋翼无人机在城市环境下的应用效能。

技术领域

本发明涉及一种无人机路径规划方法，特别是一种面向城市空间的多旋翼无人机路径规划方法。

背景技术

旋翼无人机是一种能够垂直起降、自主悬停的多旋翼飞行器，在航拍摄影、精确农业、电力巡检、物流运输等领域得到广泛应用。城市环境下，高层建筑物分布密集导致多旋翼无人机飞行障碍物多，人员车辆流动频繁导致多旋翼无人机追踪定位目标困难。此外，多旋翼无人机具有非线性、耦合性、多变量等特点，这些都给轨迹规划的准确性和实时性带来了挑战。因此，需要设计面向城市空间的多旋翼无人机路径规划算法以提升其在城市环境下的应用效能。

在已发展的多旋翼无人机轨迹优化算法中，在先技术（参见张博渊,宗群,鲁瀚辰等. 基于hp自适应伪谱法的多旋翼无人机编队轨迹优化. 中国科学：技术科学,2017,47:239–248）考虑多旋翼无人机的避障约束、状态量约束及控制输入量约束，采用可自适应选点的hp自适应伪谱法将最优控制问题转化为非线性规划问题进行求解。非线性规划问题求解复杂，轨迹规划的实时性难以保证。

在先技术（参见Optimal trajectory generation and robust flatness–basedtracking control of quadrotors）基于简化的动力学模型进行轨迹优化解算，同时采用B平面法进行轨迹跟踪算法设计。但基于简化的动力学模型降低了优化结果的精度，复杂优化指标的选取也进一步增加了计算量。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种面向城市空间的多旋翼无人机路径规划方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种面向城市空间的多旋翼无人机路径规划方法，包括以下步骤：

步骤1，确定多旋翼无人机动力学模型；

步骤2，确定多旋翼无人机轨迹优化约束条件及优化指标；

步骤3，建立多旋翼无人机动力学模型与障碍物约束线性化；

步骤4，建立多旋翼无人机动力学方程及约束条件离散化；

步骤5，求解完成面向城市空间的多旋翼无人机路径规划。

步骤1中所述多旋翼无人机动力学模型如下：

其中， x、 y和 z分别表示多旋翼无人机的三轴位置坐标， 、 和 分别表示多旋翼无人机沿三轴的速度分量， 、 和 分别表示三轴位置坐标关于时间的导数， 、 和分别表示三轴位置坐标关于时间的二阶导数； 、 和 分别表示多旋翼无人机的俯仰角、滚转角和偏航角， p、q和 r分别表示多旋翼无人机的俯仰角速度、滚转角速度和偏航角速度， 、和 表示姿态角关于时间的一阶导数， 、和表示姿态角关于时间的二阶导数； 、和 表示多旋翼无人机对应三个轴的转动惯量； m表示多旋翼无人机的质量， 表示升力作用点，即多旋翼无人机螺旋桨中心到质心的距离； 、 、 和 分别表示多旋翼无人机的四个控制输入量， g表示重力加速度。

步骤2中多旋翼无人机的初始状态约束定义如下：