1.一种基于位置与速度人工势场法的无人机路径规划方法,其特征在于,包括:
步骤一,建立基于障碍物三维空间位置的斥力势函数和基于目标三维空间位置的引力势函数;
步骤二,建立基于障碍物速度的动态斥力势函数和基于目标速度的动态引力势函数;
步骤三,建立基于位置与速度人工势场函数的数学模型,求解出无人机动力学方程进行路径规划。
2.根据权利要求1所述的基于位置与速度人工势场法的无人机路径规划方法,其特征在于,所述步骤一的建立基于障碍物三维空间位置的斥力势函数和基于目标三维空间位置的引力势函数的过程,包括:位置侦测器接收无人机的三维空间位置,并测量各障碍物的三维空间位置,同时将所述无人机与所述各障碍物的三维空间位置传输至中央服务器,建立基于障碍物三维空间位置的斥力势函数和基于目标三维空间位置的引力势函数。
3.根据权利要求2所述的基于位置与速度人工势场法的无人机路径规划方法,其特征在于,所述位置侦测器接收所述无人机的三维空间位置记为q=[x,y,z]t,其中x,y,z表示所述无人机在三维空间oxyz的位置坐标,ox的方向为水平面内正东方向,oz的方向为垂直于地面指向正上方,oy的方向为在水平面内垂直于ox轴并满足右手法则;
所述位置侦测器测量所述各障碍物的三维空间位置记为qoj=[xoj,yoj,zoj]t,其中xoj,yoj,zoj表示第j个障碍物在三维空间oxyz的位置坐标,j=1,...,n,其中n表示空间内障碍物的总个数;所述中央服务器存储所述无人机目标区域的三维空间位置qg=[xg,yg,zg]t,其中xg,yg,zg表示目标区域的中心点在三维空间oxyz的位置坐标;
所述无人机发送自身三维空间位置的时间间隔是50毫秒,所述位置侦测器的采样周期为50毫秒,所述中央服务器的采样周期为25毫秒;
基于第j个障碍物三维空间位置的斥力势函数的表达式为:
其中
基于障碍物三维空间位置的斥力势函数的表达式为:
其中
基于目标三维空间位置的引力势函数的表达式为:
其中αp,xy为xy平面上的正增益引力因子,αp,z为z轴上的正增益引力因子;ep,xy表示所述无人机与目标在xy投影平面内的单位向量,方向由目标的xy投影中心指向所述无人机的xy投影中心,ep,z表示所述无人机与目标在z轴投影的单位向量,方向由目标的z轴投影点指向所述无人机的z轴投影点,ρg,xy=||qxy-qg,xy||表示所述无人机与目标在xy投影平面内的距离,其中qg,xy=[xg,yg]t,ρg,z=||z-zg||表示所述无人机与目标在z轴投影上的距离。
4.根据权利要求1所述的基于位置与速度人工势场法的无人机路径规划方法,其特征在于,所述步骤二的建立基于障碍物速度的动态斥力势函数和基于目标速度的动态引力势函数的过程,包括:速度侦测器接收所述无人机的速度,并测量各障碍物的速度,同时将所述无人机与所述各障碍物的速度传输至所述中央服务器,建立基于障碍物速度的动态斥力势函数和基于目标速度的动态引力势函数。
5.根据权利要求4所述的基于位置与速度人工势场法的无人机路径规划方法,其特征在于,所述速度侦测器接收所述无人机的速度记为
基于所述第j个障碍物速度的动态斥力势函数的表达式为:
其中
所述基于障碍物速度的动态斥力势函数的表达式为:
其中
所述基于目标速度的动态引力势函数的表达式为:
其中αv为速度引力因子,evg表示所述无人机与目标在三维空间内的单位向量,方向由目标的中心指向所述无人机的中心,ρvg=||v-vg||表示所述无人机与目标的相对速度大小。
6.根据权利要求1所述的基于位置与速度人工势场法的无人机路径规划方法,其特征在于,所述步骤三的基于位置与速度人工势场函数的数学模型为:
λ(q,qo,qg,v,vo,vg)=λrep,p(q,qo)+λat,p(q,qg)+λrep,v(q,qo,v,vo)+λat,v(q,qg,v,vg)
7.根据权利要求1所述的基于位置与速度人工势场法的无人机路径规划方法,其特征在于,求解所述无人机动力学方程进行路径规划包括:对所述无人机飞行环境进行建模、求解出所述无人机受到的虚拟合外力、求解所述无人机在受到虚拟合外力的作用下向目标飞行的正向动力学和判断所述无人机是否到达目标区域并判断所述目标区域是否停止移动。
8.根据权利要求7所述的基于位置与速度人工势场法的无人机路径规划方法,其特征在于,所述无人机受到的虚拟合外力为:
其中
9.根据权利要求7所述的基于位置与速度人工势场法的无人机路径规划方法,其特征在于,所述无人机在受到虚拟合外力的作用下向目标飞行的正向动力学,具体如下:
式中
10.根据权利要求7所述的基于位置与速度人工势场法的无人机路径规划方法,其特征在于,判断所述无人机到达所述目标区域且所述目标区域停止移动,所述无人机路径规划结束,所述无人机进行悬停操作;判断所述无人机未到达目标区域或目标区域正在移动,所述无人机重新对飞行环境进行建模,求解动力学方程进行路径规划。