基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法、无人机与流程

本发明属于无人机集群控制技术领域，尤其涉及一种基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法、无人机。

背景技术：

目前，最接近的现有技术：随着无人机越来越多地用于军事和民事领域，与之相关的路径规划问题也受到各国科研工作者的广泛关注。在计算机技术和航天技术的大力推动下，无人机路径规划系统在无人机执行作战任务的过程中起着至关重要的作用。无人机路径规划的目的是根据任务需求规划出满足约束条件的飞行路径，是无人机任务规划的核心部分。

综上所述，现有技术存在的问题是：大规模无人机编队路径规划相对复杂，缺乏有效算法快速的实现无人机编队队形变换路径规划。

解决上述技术问题的难度：

无人机编队个体数量多、间距近时，无人机间相互避让规则比较复杂，缺乏整体性，计算量大。

解决上述技术问题的意义：

可以实现快速实现密集无人机编队的快速队形变换，在保证安全间距和飞行速度的条件下进行路径规划。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法、无人机。

本发明是这样实现的，一种基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法，所述基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法包括以下步骤：

第一步，根据无人机阵列的目标形状及其顺序，转换成无人机阵列的位置点阵，同时生成单个无人机的目标航点阵列；

第二步，基于人工势场法，计算单个无人机受到集群中其它无人机的斥力fri，以及所有斥力的合力fr；

第三步，计算单个无人机受到目标点引力fg；

第四步，仿真飞行，根据引力fg及斥力fr计算无人机收到合力，并根据合力调整无人机下一步的期望航点；

第五步，最终针对每个无人机形成其安全航迹，完成整个无人机集群的航迹规划工作。

进一步，所述基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法包括单个无人机所受其它任一集群中的无人机的斥力势场函数为：

其中，kr为斥力系数，ρ(x,xo)为无人机到障碍无人机的距离，ρ(x,xg)为无人机到目标航点的距离，ρ0障碍无人机对该无人机的障碍作用影响距离。

进一步，所述基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法包括编队中的编号i的无人机在飞向第j个目标点pij(x,y,z)过程中的引力势场函数为：

fg＝kg·ρ(x,xg)；

其中，kg为引力系数，ρ(x,xg)为无人机到目标航点的距离。

进一步，所述基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法包括引力、斥力势场函数参数应满足以下约束：kg>fr·cosθ/ρ(x,xg),θ>π/2。

进一步，所述基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法包括引力、斥力势场函数参数应满足以下约束：

进一步，所述基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法还包括以下步骤：

第一步，生成无人机阵列的位置点阵；

第二步，基于人工势场法计算单格无人机所受合力；

第三步，根据无人机受力情况计算无人机的下一目标点；

第四步，判断是否所有无人机均计算过下一目标点，若是进进行第五步；若不是，则基于人工势场法计算下一个无人机所受合力，进行第三步；

第五步，判断是否所有无人机均到达目标点，若是，则结束；若不是，则返回第二步。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法的无人机。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法的基于人工势场的无人机集群路径规划处理系统，所述基于人工势场的无人机集群路径规划处理系统包括：

位置点阵生成模块1，用于生成无人机阵列的位置点阵；

单格无人机所受合力计算模块，用于基于人工势场法计算单格无人机所受合力；

下一目标点计算模块，用于根据无人机受力情况计算无人机的下一目标点；

下一目标点计算判断模块，用于判断是否所有无人机均计算过下一目标点；

目标点到达判断模块，用于判断是否所有无人机均到达目标点。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明为解决传统人工势场法的局部极小点问题，首先判断该无人机与其它无人机的距离是否到达安全距离，若当前距离大于安全距离，则通过加大引力系数方式加大引力作用，保证无人机穿越其它障碍无人机到达目标点；若当前距离小于安全距离时，则通过将斥力方向调整为无人机当前方向增加90度的方式，以此改变无人机运动方向，走出极小点位置，解决局部极小点问题。

本发明为解决传统人工势场法的局部极小点问题，提出当无人机飞行过程中遇到在某处所受合力为0，无法继续向目标点前进时，将无人机当前时刻受到的合斥力方向调整为无人机当前方向增加90度，以此改变无人机运动方向，走出极小点位置，解决局部极小点问题。

本发明的方法适用于解决较大规模无人机集群在编队飞行时的路径规划问题，具有易于实现、安全可靠、无人机集群控制效果良好的特点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的于人工势场的无人机集群路径规划处理方法的实现流程图。

图3是本发明实施例提供的加大引力系数方式加大引力作用，保证无人机穿越其它障碍无人机到达目标点的方法示意图。

图4是本发明实施例提供的通过将斥力方向调整为无人机当前方向增加90度的方式，以此改变无人机运动方向，走出极小点位置，解决局部极小点问题方法示意图。

图5是本发明实施例提供的1000架无人机的实际路径规划结果示意图。

图6是本发明实施例提供的1000架无人机的路径规划飞行速度分析图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法、无人机，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法包括以下步骤：

s101：根据无人机阵列的目标形状及其顺序，转换成无人机阵列的位置点阵，同时生成单个无人机的目标航点阵列；

s102：基于人工势场法，计算单个无人机受到集群中其它无人机的斥力fri，以及所有斥力的合力fr；

s103：计算单个无人机受到目标点引力fg；

s104：仿真飞行，根据引力fg及斥力fr计算无人机收到合力，并根据合力调整无人机下一步的期望航点；

s105：最终针对每个无人机形成其安全航迹，完成整个无人机集群的航迹规划工作。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图2所示，本发明实施例提供的基于人工势场的无人机集群路径规划处理方法包括以下步骤：

第一步，生成无人机阵列的位置点阵；

第二步，基于人工势场法计算单格无人机所受合力；

第三步，根据无人机受力情况计算无人机的下一目标点；

第四步，判断是否所有无人机均计算过下一目标点，若是进进行第五步；若不是，则基于人工势场法计算下一个无人机所受合力，进行第三步；

第五步，判断是否所有无人机均到达目标点，若是，则结束；若不是，则返回第二步。

在本发明的优选实施例中，单个无人机所受其它任一集群中的无人机的斥力势场函数为：

其中，kr为斥力系数，ρ(x,xo)为无人机到障碍无人机的距离，ρ(x,xg)为无人机到目标航点的距离，ρ0障碍无人机对该无人机的障碍作用影响距离。此斥力势场函数，可以解决传统人工势场法在到达目标点时仍受到一定斥力而造成的目标不可到达问题。

在本发明的优选实施例中，编队中的编号i的无人机在飞向第j个目标点pij(x,y,z)过程中的引力势场函数为：

fg＝kg·ρ(x,xg)；

其中，kg为引力系数，ρ(x,xg)为无人机到目标航点的距离。

在本发明的优选实施例中，引力、斥力势场函数参数应满足以下约束：

kg>fr·cosθ/ρ(x,xg),θ>π/2；

上述条件约束，保证了无人机所受斥力在引力方向上的分量小于引力。

在本发明的优选实施例中，引力、斥力势场函数参数应满足以下约束：

上述条件约束，保证了无人机规划路径逐步趋近于目标点。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。