一種基于勢場法的航跡規(guī)劃方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于勢場法的航跡規(guī)劃方法，其特征在于，包括如下內(nèi)容：根據(jù)飛行器由飛行起點到達(dá)終點過程中的確定的地理環(huán)境，抽象獲得確定的地理環(huán)境中障礙物的特征信息，并保存特征信息；基于特征信息，采用勢場法，獲得飛行器與終點的合力；基于合力，控制更新當(dāng)前的位置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中飛行器航跡規(guī)劃無法實時對航跡進行調(diào)整的技術(shù)問題，進而實現(xiàn)了能夠?qū)桔E進行實時規(guī)劃的技術(shù)效果。
【專利說明】一種基于勢場法的航跡規(guī)劃方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無人機航跡規(guī)劃【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于勢場法的航跡規(guī)劃方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 飛行器的航跡規(guī)劃是指在約束條件下，根據(jù)飛行器的飛行的具體任務(wù)、威脅量、天 氣狀況、所在的空中位置及所處的地形數(shù)據(jù)等各種因素來規(guī)劃出適合的最佳路徑，當(dāng)然，這 其中需要滿足兩方面的指標(biāo)：一是在規(guī)劃過程中要求各種威脅量盡可能的小，二是要求路 徑盡可能的短。
[0003] 根據(jù)任務(wù)性能指標(biāo)的不同，飛行器航跡規(guī)劃算法也有不同的要求。在飛行器航跡 規(guī)劃的過程中，需要考慮飛行器在飛行過程中受到的各個因素的影響，在各個因素的相互 耦合的情況下，使規(guī)劃的航跡滿足環(huán)境中的各個約束條件，從而使飛行器以符合自身動力 性能的飛行狀態(tài)完成任務(wù)，標(biāo)準(zhǔn)化輸入輸出，使能在3D視圖中顯示飛行器的飛行軌跡。
[0004] 目前現(xiàn)有的飛行器進行航跡規(guī)劃主要采用的是人工計算和手動編輯輸入航點的 方式，過程繁瑣，修改費時，實用便捷性較低。
[0005] 申請?zhí)枮镃N201310478422. 5的發(fā)明提供一種基于環(huán)境網(wǎng)絡(luò)劃分的航跡規(guī)劃方 法，將飛行區(qū)域劃分為三維網(wǎng)絡(luò)，將地形障礙及各種威脅建模為網(wǎng)絡(luò)中的故障節(jié)點，降低了 航跡規(guī)劃算法的復(fù)雜度，但是，網(wǎng)絡(luò)劃分過程非常繁瑣，尺度大小的選擇也是需要具體考慮 的一個問題。
[0006] 申請?zhí)枮镃N201110458232. 8的發(fā)明涉及一種針對無人機的快速航跡規(guī)劃方法， 采用地圖繪制控件將地圖功能添加到航跡規(guī)劃應(yīng)用中，通過鼠標(biāo)點選方式確定航跡點及鼠 標(biāo)拖拽的方式修改航跡點，有效的解決了航跡點的選取問題，但是當(dāng)飛行器處于復(fù)雜環(huán)境 下，鼠標(biāo)選點的方式在精度上及效率上不占優(yōu)勢，也沒有能夠解決實時調(diào)整航跡的問題。
[0007] 申請?zhí)枮镃N103676944A的發(fā)明提出了一種Dubins路徑和稀疏A*搜索的無人機 航跡規(guī)劃方法，該方法是一種啟發(fā)式搜索路徑算法，可以依據(jù)環(huán)境和任務(wù)驚醒調(diào)整，但是存 在網(wǎng)絡(luò)隔點劃分尺度不易確定的問題，同時不適合動態(tài)環(huán)境，且規(guī)劃結(jié)果是分段直線而非 光滑曲線等問題。
[0008] 因此，現(xiàn)有技術(shù)的飛行器航跡規(guī)劃存在無法實時對航跡進行調(diào)整的技術(shù)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本申請實施例通過提供一種基于勢場法的航跡規(guī)劃方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中飛行 器航跡規(guī)劃無法實時對航跡進行調(diào)整的技術(shù)問題，進而實現(xiàn)了能夠?qū)桔E進行實時規(guī)劃的 技術(shù)效果。
[0010] 本申請實施例提供了一種基于勢場法的航跡規(guī)劃方法，所述方法包括：
[0011] S101.根據(jù)由飛行起點到達(dá)終點過程中的確定的地理環(huán)境，抽象獲得確定的地理 環(huán)境中障礙物的特征信息，并保存特征信息；
[0012] S102.基于特征信息，采用勢場法，獲得飛行器與終點的合力；
[0013] S103.基于合力，控制更新當(dāng)前的位置。
[0014] 進一步地，所述S101中的特征信息為形態(tài)信息。
[0015] 進一步地，在S101前還有：判斷飛行器是否在障礙物的作用域內(nèi)；若在障礙物的 作用域內(nèi)，執(zhí)行S101。
[0016] 進一步地，在S101之前，所述方法還包括：
[0017] 根據(jù)起點位置和終點位置，獲取飛行起點到達(dá)終點的吸引力。
[0018] 進一步地，所述S102具體包括：
[0019] 基于特征信息，判斷障礙物是否為線性障礙物；
[0020] 在判斷獲得為線性障礙物時，根據(jù)吸引力的向量和線性障礙物向量，獲得在線性 障礙物作用下飛行器沿墻走分量；
[0021] 根據(jù)吸引力和沿墻走分量，獲得合力。
[0022] 進一步地，所述S102具體包括：
[0023] 基于特征信息，判斷障礙物是否為圓障礙物；
[0024] 在判斷獲得為圓障礙物時，根據(jù)吸引力向量和飛行器與圓障礙物之間的距離向 量，獲得在圓障礙物作用下飛行器受到的附加控制力；
[0025] 根據(jù)吸引力和附加控制力，獲得合力。
[0026] 進一步地，所述S102具體包括，基于特征信息，采用勢場法，在判斷獲得飛行器無 法達(dá)到沿墻走和附加控制力的條件時，獲得當(dāng)前飛行器與障礙物之間的排斥力；
[0027] 根據(jù)吸引力和排斥力，獲得合力。
[0028] 進一步地，所述S103具體包括：
[0029] 基于合力，獲得當(dāng)前的加速度；
[0030] 根據(jù)當(dāng)前的加速度、采樣時間，以及當(dāng)前的位置，獲得下一個采樣時間的位置；
[0031] 根據(jù)下一個采樣時間的位置，控制更新當(dāng)前的位置。
[0032] 進一步地，所述S103之后，所述方法還包括：
[0033] 根據(jù)當(dāng)前的位置以及下一個采樣時間的位置，判斷飛行器是否到達(dá)終點；
[0034] 若當(dāng)前位置距離下一個采樣的位置之間的距離滿足預(yù)設(shè)距離范圍，確定飛行器到 達(dá)終點；或
[0035] 若當(dāng)前位置距離下一個采樣的位置之間的距離不滿足預(yù)設(shè)距離范圍，確定飛行器 未達(dá)到終點，繼續(xù)執(zhí)行S101。
[0036] 本申請實施例中提供的一個或多個技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點：
[0037] 由于采用了根據(jù)飛行器由飛行起點到達(dá)終點過程中的確定的地理環(huán)境，抽象獲得 確定的地理環(huán)境中障礙物的特征信息，并保存特征信息，接著，基于特征信息，采用勢場法， 獲得飛行器與終點的合力；最后，基于合力，控制更新當(dāng)前的位置的技術(shù)方案，解決了現(xiàn)有 技術(shù)中飛行器的航跡規(guī)劃無法實時對航跡進行調(diào)整的技術(shù)問題，進而實現(xiàn)了能夠?qū)桔E進 行實時規(guī)劃的技術(shù)效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038] 圖1為本申請實施例中基于勢場法的航跡規(guī)劃方法的流程圖；
[0039] 圖2為本申請實施例中具體地基于勢場法的航跡規(guī)劃的流程圖；
[0040] 圖3為本申請實施例中航跡規(guī)劃的整體系統(tǒng)框圖。

【具體實施方式】
[0041] 本申請實施例通過提供一種基于勢場法的航跡規(guī)劃方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中飛行 器航跡規(guī)劃無法實時對航跡進行調(diào)整的技術(shù)問題，進而實現(xiàn)了能夠?qū)桔E進行實時規(guī)劃的 技術(shù)效果。
[0042] 本申請實施例中的技術(shù)方案為解決上述飛行器航跡規(guī)劃無法實時對航跡進行調(diào) 整的技術(shù)問題，總體思路如下：
[0043] 首先，飛行器根據(jù)由飛行起點到達(dá)終點的過程中的確定的地理環(huán)境，從而抽象獲 得確定的地理環(huán)境中障礙物的特征信息；接著，根據(jù)獲得的特征信息，采用勢場法，獲得飛 行器與終點的合力；最后，根據(jù)獲得的合力，控制更新當(dāng)前的位置。進而能夠?qū)崟r對飛行器 的航跡進行調(diào)整，完善航跡規(guī)劃。
[0044] 為了更好的理解上述技術(shù)方案，下面將結(jié)合說明書附圖以及具體的實施方式對上 述技術(shù)方案進行詳細(xì)的說明。
[0045] 首先來介紹下勢場法，勢場法是由Khatib提出的一種虛擬力法（Oussama Khatib，Real-Time obstacle Avoidance for Manipulators and Mobile Robots. Proc of The 1994 IEEE.)基本思想是將機器人在周圍環(huán)境中的運動，設(shè)計成一種抽象的人造引力 場中的運動，目的點對移動機器人產(chǎn)生"引力"，障礙物對移動機器人產(chǎn)生"斥力"，最后通過 求合力來控制移動機器人的運動。
[0046] 接下來具體就本實施例中的步驟進行詳細(xì)描述。
[0047] S101，根據(jù)由飛行起點到達(dá)終點過程中的確定的地理環(huán)境，抽象獲得確定的地理 環(huán)境中障礙物的特征信息；
[0048] S102,基于特征信息，采用勢場法，獲得飛行器與終點的合力；
[0049] S103,基于合力，控制更新當(dāng)前的位置。
[0050] 在具體的實施方式中，該確定的地理環(huán)境中的障礙物的特征信息具體為形狀信 息，比如，該障礙物是否是有規(guī)則的形態(tài)，或者是表面高低起伏的形態(tài)，從而基于這樣的形 態(tài)來確定障礙物的特征信息。
[0051] 在S102之前，需要判斷飛行器與障礙物之間的排斥力是否滿足預(yù)設(shè)條件，具體 地，就是判斷飛行器是否在障礙物的作用域內(nèi)，比如，飛行器在飛行過程中會遇到電線桿， 電線桿為障礙物，當(dāng)飛行器距離電線桿10米的距離時，飛行器與障礙物之間的排斥力很 小，可以忽略，此時，飛行器就在障礙物的作用域外；當(dāng)飛行器距離電線桿5米的距離時，飛 行器與障礙物的排斥力增大，此時的排斥力大于排斥力的預(yù)設(shè)門限值，此時，飛行器就在障 礙物的作用域內(nèi)，而當(dāng)根據(jù)判斷獲得飛行器與障礙物之間的排斥力是滿足預(yù)設(shè)條件，即在 障礙物的作用域內(nèi)時，才執(zhí)行S101。而飛行器不在障礙物的作用域內(nèi)時，受到的排斥力F b =0〇
[0052] 如果飛行器在由飛行起點到達(dá)終點的過程中都沒有進入任何障礙物的作用域內(nèi)， 那么，飛行器與終點僅存在吸引力。
[0053] 下面具體描述吸引力。
[0054] 在S101之前，該基于勢場法的航跡規(guī)劃方法還包括：根據(jù)當(dāng)前位置和終點位置， 獲取飛行器到達(dá)終點的吸引力。
[0055] 在具體的實施方式中，飛行器當(dāng)前位置和終點經(jīng)緯度之間的距離信息用 P (q，qgMl) = | |qgMl-q| |來表示，其中，q是飛行器當(dāng)前位置，qgMl是終點位置,吸引力FaM 的計算方法如下：
[0056]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于勢場法的航跡規(guī)劃方法，其特征在于，包括如下內(nèi)容： 5101. 根據(jù)飛行器由飛行起點到達(dá)終點過程中的確定的地理環(huán)境，抽象獲得確定的地 理環(huán)境中障礙物的特征信息，并保存特征信息； 5102. 基于特征信息，采用勢場法，獲得飛行器與終點的合力； 5103. 基于合力，控制更新當(dāng)前的位置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于勢場法的航跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述S101中的特 征信息為形態(tài)信息。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于勢場法的航跡規(guī)劃方法，其特征在于，在S102前還有： 判斷飛行器是否位于障礙物的作用域內(nèi)； 若在作用域內(nèi)時，執(zhí)行S102。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于勢場法的航跡規(guī)劃方法，其特征在于，S101前還有：根據(jù) 當(dāng)前位置和終點位置，獲取飛行器到達(dá)終點的吸引力。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，基于特征信息，所述S102具體包括： 基于特征信息，采用勢場法，判斷障礙物是否為線性障礙物； 在判斷獲得為線性障礙物時，根據(jù)吸引力的向量和線性障礙物向量，獲得在線性障礙 物作用下飛行器沿墻走分量； 根據(jù)吸引力和沿墻走分量，獲得合力。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于勢場法的航跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述S102具體包 括： 基于特征信息，采用勢場法，在判斷獲得障礙物為非線性障礙物時，判斷障礙物是否為 圓障礙物； 在判斷獲得為圓障礙物時，根據(jù)吸引力向量和飛行器與圓障礙物之間的距離向量，獲 得在圓障礙物作用下飛行器受到的附加控制力； 根據(jù)吸引力和附加控制力，獲得合力。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于勢場法的航跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述S102具體包 括： 基于特征信息，采用勢場法，在判斷獲得飛行器無法達(dá)到沿墻走和附加控制力的條件 時，獲得當(dāng)前飛行器與障礙物之間的排斥力； 根據(jù)吸引力和排斥力，獲得合力。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的基于勢場法的航跡規(guī)劃方法，其特征在于，所述S103具 體包括： 基于合力，獲得當(dāng)前的加速度； 根據(jù)當(dāng)前的加速度、采樣時間，以及當(dāng)前的位置，獲得下一個采樣時間的位置； 根據(jù)所述下一個采樣時間的位置，控制更新當(dāng)前的位置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述在基于合力，所述S103之后，還包 括： 根據(jù)當(dāng)前的位置以及下一個采樣時間的位置，判斷飛行器是否到達(dá)終點； 若當(dāng)前位置距離下一個采樣的位置之間的距離滿足預(yù)設(shè)距離范圍，確定飛行器到達(dá)終 點；或 若當(dāng)前位置距離下一個采樣的位置之間的距離不滿足預(yù)設(shè)距離范圍，確定飛行器未達(dá) 到終點，繼續(xù)執(zhí)行S101。
【文檔編號】G05D1/10GK104155998SQ201410427448
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】葛樹志, 王剛, 王維, 周紅坤, 錢杰, 周超, 姜龍龍 申請人:電子科技大學(xué)