[发明专利]一种基于仿鸟类趋光性的固定翼无人机避障控制方法

权利要求书

1.一种基于仿鸟类趋光性的固定翼无人机避障控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：搭建固定翼无人机模型，并将固定翼无人机模型转化为基于速度、位置控制的二阶模型；

固定翼无人机的二阶动力学模型表示为：

其中，(x,y)为固定翼无人机在惯性坐标系中的位置；ψ为固定翼无人机的航向角；v为固定翼无人机的前向速度；n^v和n^ψ为均为系统控制输入；

经过模型转换，固定翼无人机基于速度、位置控制的二阶模型为：

其中，q＝[x,y]^T表示固定翼无人机的位置；p为固定翼无人机在惯性坐标系下三轴方向的速度；u为固定翼无人机的控制输入；

步骤2：根据鸟类基于趋光性避障的特性，建立固定翼无人机趋光性避障模型；

将无人机飞行过程中遇到的障碍物情形分为“单个障碍物”、“两个障碍物”以及“两个以上障碍物”三种进行趋光性建模；

步骤2-1：在单个障碍物情形下，固定翼无人机U可飞行空域的角度大小为：

A(U)＝2π-∠B₁′UB₂′ (3)

其中，∠B₁′UB₂′为受障碍物影响固定翼无人机不可飞行的空域角度；

步骤2-2：在两个障碍物情形下，固定翼无人机U可飞行空域的角度大小为：

A(U)＝∠B₁UB₂+π-∠B₁UB₁′-∠B₂UB₂′ (4)

其中，∠B₁UB′₁和∠B₂UB′₂为受障碍物影响固定翼无人机不可飞行的空域角度；∠B₁UB₂为固定翼无人机在两个障碍物间的可飞行空域；

步骤2-3：在两个以上障碍物情形下，固定翼无人机U可飞行空域的角度大小为：

其中，为固定翼无人机在两个以上障碍物情况下的飞行空域；

步骤2-4：将趋光性的大小用固定翼无人机进入可飞行区域的概率来衡量，且该概率服从[0,2π]上的均匀分布，因此候选趋光性模型表示为：

步骤2-5：为防止固定翼无人机在基于趋光性避障中受局部趋光影响而造成飞行碰撞，在式(6)所示的候选趋光性模型中引入距离因子，表示为：

ξ＝e^δ·Δr (7)

其中，e为指数函数；δ为距离因子的权重系数；Δr是固定翼无人机到障碍物的距离；

步骤2-6：固定翼无人机趋光性避障模型最终表示为：

其中，N为固定翼无人机检测到的障碍物总个数；

步骤3：基于步骤2中所建立的趋光性避障模型，结合固定翼无人机飞行约束，设计固定翼无人机避障策略及流程；

步骤3-1：建立固定翼无人机的飞行约束模型，具体表示为：

其中，v_min和v_max分别表示固定翼无人机的最小、最大飞行速度；w为固定翼无人机的航向角速度；w_max为最大航向角速度；R为转弯半径；R_min为固定翼无人机的最小转弯半径；

步骤3-2：根据步骤3-1中固定翼无人机的飞行特性，将固定翼无人机在飞行过程中遇到障碍物的情形分为情形1、情形2和情形3，并设计相应的飞行方案：

a)情形1：两个障碍物间的间距大于固定翼无人机的最小转弯半径，此时无人机能以任意入射方向通过障碍区域；

b)情形2：两个障碍物间的间距小于固定翼无人机的最小转弯半径，此时要保证无人机无碰撞的通过障碍区域，其入射方向θ满足约束范围θ∈[θ₂,θ₁]，其中，θ₁和θ₂为保证固定翼无人机无碰撞情况下与两个障碍物的临界入射方向；

c)情形3：对于存在两个以上障碍物的情况，当存在两个相同趋光大小的可飞行空域，固定翼无人机依照航迹飞行油耗最少的原则，选择最优可飞行路径；

步骤4：将步骤2中所建立的趋光性避障模型与人工势场法相结合，设计固定翼无人机控制律，保证固定翼无人机无碰撞飞行；

步骤4-1：搭建基于人工势场法的固定翼无人机避障模型，其中，飞行目标对固定翼无人机的引力函数表示为：

其中，q_g为飞行目标的位置；λ为引力系数；

障碍物对无人机的斥力函数表示为：

其中，d_i为无人机与探测到的第i个障碍物的间距；d₀为障碍物对无人机的最大排斥距离；η为斥力系数；

步骤4-2：将所设计的趋光性避障模型引入步骤4-1中的人工势场法避障模型中，引入后的引力函数表示为：

其中，k_a为引力函数中的趋光模型权重系数；

引入后的斥力函数表示为：

其中，k_r为斥力函数中的趋光模型权重系数；

步骤4-3：基于步骤4-2中的避障模型式(12)，设计固定翼无人机控制律，具体表示为：

其中，为第i个障碍物的位置；c₁和c₂均为控制系数；

步骤4-4：将所设计的控制律作用于固定翼无人机，保证固定翼无人机的无碰撞飞行。