一种基于势场法的航迹规划方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于势场法的航迹规划方法，其特征在于，包括如下内容：根据飞行器由飞行起点到达终点过程中的确定的地理环境，抽象获得确定的地理环境中障碍物的特征信息，并保存特征信息；基于特征信息，采用势场法，获得飞行器与终点的合力；基于合力，控制更新当前的位置，解决了现有技术中飞行器航迹规划无法实时对航迹进行调整的技术问题，进而实现了能够对航迹进行实时规划的技术效果。
【专利说明】一种基于势场法的航迹规划方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无人机航迹规划【技术领域】，尤其涉及一种基于势场法的航迹规划方 法。
【背景技术】
[0002] 飞行器的航迹规划是指在约束条件下，根据飞行器的飞行的具体任务、威胁量、天 气状况、所在的空中位置及所处的地形数据等各种因素来规划出适合的最佳路径，当然，这 其中需要满足两方面的指标：一是在规划过程中要求各种威胁量尽可能的小，二是要求路 径尽可能的短。
[0003] 根据任务性能指标的不同，飞行器航迹规划算法也有不同的要求。在飞行器航迹 规划的过程中，需要考虑飞行器在飞行过程中受到的各个因素的影响，在各个因素的相互 耦合的情况下，使规划的航迹满足环境中的各个约束条件，从而使飞行器以符合自身动力 性能的飞行状态完成任务，标准化输入输出，使能在3D视图中显示飞行器的飞行轨迹。
[0004] 目前现有的飞行器进行航迹规划主要采用的是人工计算和手动编辑输入航点的 方式，过程繁琐，修改费时，实用便捷性较低。
[0005] 申请号为CN201310478422. 5的发明提供一种基于环境网络划分的航迹规划方 法，将飞行区域划分为三维网络，将地形障碍及各种威胁建模为网络中的故障节点，降低了 航迹规划算法的复杂度，但是，网络划分过程非常繁琐，尺度大小的选择也是需要具体考虑 的一个问题。
[0006] 申请号为CN201110458232. 8的发明涉及一种针对无人机的快速航迹规划方法， 采用地图绘制控件将地图功能添加到航迹规划应用中，通过鼠标点选方式确定航迹点及鼠 标拖拽的方式修改航迹点，有效的解决了航迹点的选取问题，但是当飞行器处于复杂环境 下，鼠标选点的方式在精度上及效率上不占优势，也没有能够解决实时调整航迹的问题。
[0007] 申请号为CN103676944A的发明提出了一种Dubins路径和稀疏A*搜索的无人机 航迹规划方法，该方法是一种启发式搜索路径算法，可以依据环境和任务惊醒调整，但是存 在网络隔点划分尺度不易确定的问题，同时不适合动态环境，且规划结果是分段直线而非 光滑曲线等问题。
[0008] 因此，现有技术的飞行器航迹规划存在无法实时对航迹进行调整的技术问题。
【发明内容】
[0009] 本申请实施例通过提供一种基于势场法的航迹规划方法，解决了现有技术中飞行 器航迹规划无法实时对航迹进行调整的技术问题，进而实现了能够对航迹进行实时规划的 技术效果。
[0010] 本申请实施例提供了一种基于势场法的航迹规划方法，所述方法包括：
[0011] S101.根据由飞行起点到达终点过程中的确定的地理环境，抽象获得确定的地理 环境中障碍物的特征信息，并保存特征信息；
[0012] S102.基于特征信息，采用势场法，获得飞行器与终点的合力；
[0013] S103.基于合力，控制更新当前的位置。
[0014] 进一步地，所述S101中的特征信息为形态信息。
[0015] 进一步地，在S101前还有：判断飞行器是否在障碍物的作用域内；若在障碍物的 作用域内，执行S101。
[0016] 进一步地，在S101之前，所述方法还包括：
[0017] 根据起点位置和终点位置，获取飞行起点到达终点的吸引力。
[0018] 进一步地，所述S102具体包括：
[0019] 基于特征信息，判断障碍物是否为线性障碍物；
[0020] 在判断获得为线性障碍物时，根据吸引力的向量和线性障碍物向量，获得在线性 障碍物作用下飞行器沿墙走分量；
[0021] 根据吸引力和沿墙走分量，获得合力。
[0022] 进一步地，所述S102具体包括：
[0023] 基于特征信息，判断障碍物是否为圆障碍物；
[0024] 在判断获得为圆障碍物时，根据吸引力向量和飞行器与圆障碍物之间的距离向 量，获得在圆障碍物作用下飞行器受到的附加控制力；
[0025] 根据吸引力和附加控制力，获得合力。
[0026] 进一步地，所述S102具体包括，基于特征信息，采用势场法，在判断获得飞行器无 法达到沿墙走和附加控制力的条件时，获得当前飞行器与障碍物之间的排斥力；
[0027] 根据吸引力和排斥力，获得合力。
[0028] 进一步地，所述S103具体包括：
[0029] 基于合力，获得当前的加速度；
[0030] 根据当前的加速度、采样时间，以及当前的位置，获得下一个采样时间的位置；
[0031] 根据下一个采样时间的位置，控制更新当前的位置。
[0032] 进一步地，所述S103之后，所述方法还包括：
[0033] 根据当前的位置以及下一个采样时间的位置，判断飞行器是否到达终点；
[0034] 若当前位置距离下一个采样的位置之间的距离满足预设距离范围，确定飞行器到 达终点；或
[0035] 若当前位置距离下一个采样的位置之间的距离不满足预设距离范围，确定飞行器 未达到终点，继续执行S101。
[0036] 本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0037] 由于采用了根据飞行器由飞行起点到达终点过程中的确定的地理环境，抽象获得 确定的地理环境中障碍物的特征信息，并保存特征信息，接着，基于特征信息，采用势场法， 获得飞行器与终点的合力；最后，基于合力，控制更新当前的位置的技术方案，解决了现有 技术中飞行器的航迹规划无法实时对航迹进行调整的技术问题，进而实现了能够对航迹进 行实时规划的技术效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0038] 图1为本申请实施例中基于势场法的航迹规划方法的流程图；
[0039] 图2为本申请实施例中具体地基于势场法的航迹规划的流程图；
[0040] 图3为本申请实施例中航迹规划的整体系统框图。
【具体实施方式】
[0041] 本申请实施例通过提供一种基于势场法的航迹规划方法，解决了现有技术中飞行 器航迹规划无法实时对航迹进行调整的技术问题，进而实现了能够对航迹进行实时规划的 技术效果。
[0042] 本申请实施例中的技术方案为解决上述飞行器航迹规划无法实时对航迹进行调 整的技术问题，总体思路如下：
[0043] 首先，飞行器根据由飞行起点到达终点的过程中的确定的地理环境，从而抽象获 得确定的地理环境中障碍物的特征信息；接着，根据获得的特征信息，采用势场法，获得飞 行器与终点的合力；最后，根据获得的合力，控制更新当前的位置。进而能够实时对飞行器 的航迹进行调整，完善航迹规划。
[0044] 为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上 述技术方案进行详细的说明。
[0045] 首先来介绍下势场法，势场法是由Khatib提出的一种虚拟力法（Oussama Khatib，Real-Time obstacle Avoidance for Manipulators and Mobile Robots. Proc of The 1994 IEEE.)基本思想是将机器人在周围环境中的运动，设计成一种抽象的人造引力 场中的运动，目的点对移动机器人产生"引力"，障碍物对移动机器人产生"斥力"，最后通过 求合力来控制移动机器人的运动。
[0046] 接下来具体就本实施例中的步骤进行详细描述。
[0047] S101，根据由飞行起点到达终点过程中的确定的地理环境，抽象获得确定的地理 环境中障碍物的特征信息；
[0048] S102,基于特征信息，采用势场法，获得飞行器与终点的合力；
[0049] S103,基于合力，控制更新当前的位置。
[0050] 在具体的实施方式中，该确定的地理环境中的障碍物的特征信息具体为形状信 息，比如，该障碍物是否是有规则的形态，或者是表面高低起伏的形态，从而基于这样的形 态来确定障碍物的特征信息。
[0051] 在S102之前，需要判断飞行器与障碍物之间的排斥力是否满足预设条件，具体 地，就是判断飞行器是否在障碍物的作用域内，比如，飞行器在飞行过程中会遇到电线杆， 电线杆为障碍物，当飞行器距离电线杆10米的距离时，飞行器与障碍物之间的排斥力很 小，可以忽略，此时，飞行器就在障碍物的作用域外；当飞行器距离电线杆5米的距离时，飞 行器与障碍物的排斥力增大，此时的排斥力大于排斥力的预设门限值，此时，飞行器就在障 碍物的作用域内，而当根据判断获得飞行器与障碍物之间的排斥力是满足预设条件，即在 障碍物的作用域内时，才执行S101。而飞行器不在障碍物的作用域内时，受到的排斥力F b =0〇
[0052] 如果飞行器在由飞行起点到达终点的过程中都没有进入任何障碍物的作用域内， 那么，飞行器与终点仅存在吸引力。
[0053] 下面具体描述吸引力。
[0054] 在S101之前，该基于势场法的航迹规划方法还包括：根据当前位置和终点位置， 获取飞行器到达终点的吸引力。
[0055] 在具体的实施方式中，飞行器当前位置和终点经纬度之间的距离信息用 P (q，qgMl) = | |qgMl-q| |来表示，其中，q是飞行器当前位置，qgMl是终点位置,吸引力FaM 的计算方法如下：
[0056]
【权利要求】
1. 一种基于势场法的航迹规划方法，其特征在于，包括如下内容： 5101. 根据飞行器由飞行起点到达终点过程中的确定的地理环境，抽象获得确定的地 理环境中障碍物的特征信息，并保存特征信息； 5102. 基于特征信息，采用势场法，获得飞行器与终点的合力； 5103. 基于合力，控制更新当前的位置。
2. 根据权利要求1所述的基于势场法的航迹规划方法，其特征在于，所述S101中的特 征信息为形态信息。
3. 根据权利要求1所述的基于势场法的航迹规划方法，其特征在于，在S102前还有： 判断飞行器是否位于障碍物的作用域内； 若在作用域内时，执行S102。
4. 根据权利要求3所述的基于势场法的航迹规划方法，其特征在于，S101前还有：根据 当前位置和终点位置，获取飞行器到达终点的吸引力。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于特征信息，所述S102具体包括： 基于特征信息，采用势场法，判断障碍物是否为线性障碍物； 在判断获得为线性障碍物时，根据吸引力的向量和线性障碍物向量，获得在线性障碍 物作用下飞行器沿墙走分量； 根据吸引力和沿墙走分量，获得合力。
6. 根据权利要求5所述的基于势场法的航迹规划方法，其特征在于，所述S102具体包 括： 基于特征信息，采用势场法，在判断获得障碍物为非线性障碍物时，判断障碍物是否为 圆障碍物； 在判断获得为圆障碍物时，根据吸引力向量和飞行器与圆障碍物之间的距离向量，获 得在圆障碍物作用下飞行器受到的附加控制力； 根据吸引力和附加控制力，获得合力。
7. 根据权利要求6所述的基于势场法的航迹规划方法，其特征在于，所述S102具体包 括： 基于特征信息，采用势场法，在判断获得飞行器无法达到沿墙走和附加控制力的条件 时，获得当前飞行器与障碍物之间的排斥力； 根据吸引力和排斥力，获得合力。
8. 根据权利要求1或7所述的基于势场法的航迹规划方法，其特征在于，所述S103具 体包括： 基于合力，获得当前的加速度； 根据当前的加速度、采样时间，以及当前的位置，获得下一个采样时间的位置； 根据所述下一个采样时间的位置，控制更新当前的位置。
9. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在基于合力，所述S103之后，还包 括： 根据当前的位置以及下一个采样时间的位置，判断飞行器是否到达终点； 若当前位置距离下一个采样的位置之间的距离满足预设距离范围，确定飞行器到达终 点；或 若当前位置距离下一个采样的位置之间的距离不满足预设距离范围，确定飞行器未达 到终点，继续执行S101。
【文档编号】G05D1/10GK104155998SQ201410427448
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】葛树志, 王刚, 王维, 周红坤, 钱杰, 周超, 姜龙龙 申请人:电子科技大学