一种基于避障系统的消防无人机航迹规划方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107577241A(43)申请公布日2018.01.12(21)申请号201710567800.5(22)申请日2017.07.13(71)申请人西北工业大学地址710072陕西省西安市友谊西路127号(72)发明人李伟王佩张科徐有新吕梅柏王靖宇陈勃羽张彦华陈汛科(74)专利代理机构西北工业大学专利中心61204代理人王鲜凯(51)Int.Cl.G05D1/10(2006.01)G01C21/20(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图4页(54)发明名称一种基于避障系统的消防无人机航迹规划方法(57)摘要本发明涉及一种基于避障系统的消防无人机航迹规划方法，在无人机的前后左右四个方向设有超声波测距传感器，当测量距离不小于安全距离，则输出原始控制信号，飞行器按计划正常飞行；当发现无人机某一方向出现障碍物，判断即将碰撞，飞控系统将根据测量距离采取收油门、向障碍物反方向倾侧飞行等动作避开障碍物。本发明中所设计的避障算法同传统的局部避障规划算法(人工势场法、栅格法)相比较具有兼容性好，执行效率高的优点；基于超声波避障系统，采用A*搜索算法能够有效的降低机载控制器的计算量，并且能够保证无人机在突发情况下能够快速避障，并及时规划出新的航迹。CN107577241ACN107577241A权利要求书1/2页1.一种基于避障系统的消防无人机航迹规划方法，其特征在于：在无人机的前后左右四个方向设有超声波测距传感器，无人机飞行过程中的规划步骤如下：步骤1：在无人机起飞后，无人机按照规划路径进行飞行，同时四个超声波测距传感器监测前方飞行中的突现障碍物距离信息，以PWM波的形式输出给Arduino单片机；步骤2：安全距离确定，安全距离在初始设定的安全距离基础上，根据当前无人机飞行速度进行调整：所述安全距离＝初始安全距离+k0×当前飞行速度；系数k0为正系数，值取值范围为0.001～0.005；步骤3：判断测量距离是否为安全距离：当测量距离不小于安全距离，则输出原始控制信号，飞行器按计划正常飞行；测量距离小于安全距离，则油门输出信号和方向输出信号分别重构：油门输出信号＝原始油门控制信号-k1×(安全距离-测量距离)方向输出信号＝原始方向控制信号-k2×(安全距离-测量距离)系数k1和k2为正系数，物理意义为避障效果强度，即k1和k2值越大则避障的反应越强烈，k1和k2的取值范围为0.05～0.1；当发现无人机某一方向出现障碍物，判断即将碰撞，飞控系统将根据测量距离采取收油门、向障碍物反方向倾侧飞行等动作避开障碍物；所述规划路径的建立步骤：步骤a1、建立起点至终点的原始数字地形；从中科院数据云中查找起点至终点数字地形数据，获取数字高程数据；在三维空间中构建单个高程值和它位于水平面的坐标x,y的对应的关系：z1(x,y)＝f(x,y)其中z1(x,y)为(x,y)的点的高程值，f是坐标和高程值的关系函数；采用函数模拟法来模拟任务中已经确认的地形，使用的数学模型如下：其中，x,y为点坐标，z1是对应坐标点的地形高程值，a，b，c，d，e，f，g为相应常系数；步骤a2、构建威胁等效山峰模型：其中，x，y为威胁投在水平面之上的坐标，z2相对应的高程值；x0，y0为第i个威胁的坐标，xi(i)和yi(i)为第i个威胁朝x轴和v轴方向的衰减度，h(i)表示威胁的作用强度，N是山峰个数；步骤a3、数字地形图与威胁等效山峰图信息融合：z(x,y)＝max(z1(x,y),z2(x,y))其中，z1函数表示的是原地图里面对应点的高程值，z2函数是等效的山峰地图里面对2CN107577241A权利要求书2/2页应点的高程值；步骤a4、航迹规划模型的建模：fitness＝min(a1×f1+a2×f2+a3×f3+a4×f4)其中ai为性能指标函数fi的权系数；f1是为航迹长度的指标限制函数，f2为最小转弯半径的性能约束函数，f3是飞行高度的性能函数，f4是与已知威胁源的中心点的距离的约束函数；步骤a5：采用A*算法求解步骤4的规划模型，得到起点至终点的规划路径。3CN107577241A说明书1/5页一种基于避障系统的消防无人机航迹规划方法技术领域[0001]本发明属于消防无人机领域，涉及一种基于避障系统的消防无人机航迹规划方法。背景技术[0002]无人机在城市高层建筑火灾的侦查、救援任务中具有很强的优势，为了能够快速准确的到达火灾现场，必须保证消防无人机能够以最少时间、燃料消耗以及环境威胁等条件飞往目的地，并能够保证无人机对突然出现的障碍物具有快速响应能力。[0003]常规的无人机规划算法多采用动态规划法、A*搜索法、Voronoi图算法、人工势能法、蚁群算法、遗传算法等。它们之间各有优