无人机集群自主飞行的避让策略研究

发布时间：2020-05-07 14:45

【摘要】：随着无人机自动化和智能化水平的提高,无人机在民用和军事活动中的应用越来越广泛。由于无人机飞行环境与任务的日益复杂,单架无人机有限的飞行与负荷能力很难独自完成任务,无人机集群协同作业则更符合现代化背景下的作业要求,而实现无人机集群协同作业的关键是解决集群内的避让问题。针对上述问题,本文提出基于节能性路径规划避障算法的无人机集群限定区域内自主飞行避让策略,并展开了相关的节能性路径规划、二维及三维限定区域内无人机集群避让策略的制定及模拟实现等工作。本文主要研究内容如下:(1)针对多约束条件下的无人机路径规划及避障问题,提出一种基于改进人工势场法的节能性路径规划避障算法。该算法利用环境信息生成预规划路径从而增加路径的连贯性,并在代价函数中新加入能耗这一因素,使得算法所得路径均是在保证无人机安全性和物理约束情况下的最节能路径。模拟结果表明该算法克服了传统人工势场法的不足,在不同的飞行环境下均能够规划出安全、平滑、节能的路径,有效避开障碍物,并且具有较好的适应性。(2)提出了基于节能性路径规划避障算法的避让策略,并与基于二次决策的避让策略进行二维限定区域内无序飞行的模拟对比。基于二次决策的避让策略综合了右侧策略和按区域制定的避让策略,有效降低了无人机在区域边界处的碰撞概率。基于节能性路径规划避障算法的避让策略通过综合调节目标点选择距离L、安全调节因子ωsaf、平滑调节因子ωsmo及节能调节因子ωene,可在增加较少机动能耗的情况下有效降低碰撞概率。通过仿真对比可知,基于节能性路径规划避障算法的避让策略在碰撞概率减少率和策略运算时间等方面均优于基于二次决策的避让策略。(3)针对三维限定区域内无人机集群自主飞行避让问题,提出基于节能性路径规划避障算法的三维避让策略。该三维避让策略在追求低碰撞率的同时考虑集群的整体能耗,通过调节策略参数可调整集群的碰撞概率与整体能耗,从而找出集群碰撞概率与整体能耗均较优的平衡点。仿真结果表明,与无避让策略时相比,该避让策略通过增加约14.73%的机动能耗可减少集群内约9.21%的碰撞冲突和约80.29%的碰撞。
【图文】：

逦（ｂ）概率图法逦（ｃ）人工势场法逡逑图１．１路径规划算法的航迹图逡逑１．２．１．２编队控制逡逑为了弥补单架无人机执行任务时的不足，提高无人机的任务完成效率，无人机的编队控逡逑制越来越受到国外学者的重视。２０１１年，，Ｌｏｗ等人提出了一种灵活的虚拟结构（Ｖ－Ｓ）编队控逡逑制方案，该方案采用弹性虚拟结构是的无人机编队在转弯时更加平稳，路径更为平滑［２４］。２０１２逡逑２逡逑

（ａ）邋“Ｘ”邋型逦（ｂ）邋“十”型逡逑图２．邋１无人机简化的机械结构逡逑机是依靠四个电机驱动旋翼的转动提供动力来实现各种飞同，相邻的旋翼旋转方向相反，这样的安装方式使得机
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279;TP301.6

【参考文献】

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本文编号：2653133