徐锦法教授团队：矢量场路径规划算法及其仿真验证
文摘
科技
2024-09-14 10:35
陕西
文章亮点：无人机路径规划通常采用航点设置和过点曲线拟合的方法实现，期望航向角分段给定，不随航线的改变自动修改期望航向，不具有期望航向和期望位置自动快速生成能力。提出一种适用于复杂飞行任务路径规划的矢量场算法，并开发仿真验证系统验证其有效性。引入矢量场概念设计航向角制导律，使处于任意位置的飞行器能按期望航向角平滑飞抵期望目标路径，沿期望目标路径完成飞行任务；以隐函数方程建立期望路径矢量场，几何分析矢量场路径规划的原理，基于李雅普诺夫稳定性理论证明规划路径误差的有界性，距离误差和航向角误差在航向制导律作用下均能稳定收敛于0；以倾转四旋翼无人机定高飞行任务路径规划为例，应用矢量场方法采用分段过渡策略规划平滑飞行的期望路径，并进行仿真验证。结果表明：矢量场路径规划算法可行，是一种有效的快速飞行路径规划方法。
研究背景：随着高新技术不断涌现、卫星导航通讯系统等基础设施日趋完善，无人飞行器技术也迎来了迅猛发展。现今，无人机已应用于国土航测、农林植保、大气探测、灾害救援、国防安全等关系国计民生的重要领域，应用前景越来越广阔，所执行的任务越来越复杂，或在高楼密布的城市间穿梭，或在树木茂密的森林上方巡查，或在高层消防现场协同搜寻，精准的飞行路径规划不可或缺，在飞行控制系统控制下精准跟踪目标路径，安全可靠地完成飞行任务。
近年来飞行器视觉惯性组合导航、基于单目视觉室内飞行、飞行器编队避障控制等导航技术相继出现，为飞行器精确飞行控制提供精准的状态反馈信息，路径跟踪飞行已成为可能。
矢量场概念类似于势场，在机器人领域中作为路径规划的工具被广泛应用。Huang Y等把人工势场应用于飞行器避障路径规划，利用势场负梯度方向使飞行器安全避障，但势场负梯度难以全面表征对象运动方向；张岑等用矢量场概念通过路径规划使编队中每架飞行器能躲避其他飞行器，并按照期望运动轨迹飞行；李春涛等提出了一种基于矢量场的二维动态实时航路规划方法，以使飞行器在局域动态环境中实时规划航路。但文献中飞行器相互之间采用信息交互策略，单机路径规划缺乏有机信息的辅助。Nelson等给出了基于矢量场的直线和圆形航路规划方法，然而，飞行器的飞行路径不仅局限于直线和圆；Wang T等提出了一种基于隐函数方程的路径规划方法，用于小型无人直升机飞行路径规划。文献［14-15］研究了直线/圆形矢量场计算问题，用距离计算值生成路径位移指令，方法看似简单，但计算并不合理。赵攀将路径规划法引入多飞行器编队问题，应用基于虚拟领航员的一致性算法实现空中多飞行器系统的编队保持，并通过人工势场算法和匈牙利算法实现编队变换过程中的无人机避撞与节能问题，表明路径规划方法应用于多飞行器编队系统控制中的实用性与重要性；Wu E等将改进人工势场法应用于飞行器编队飞行路径规划中，解决了经典人工势场法存在的局部最优与目标不可达问题。文献［16，18-19］讨论了人工势场法用于编队飞行器的单一路径规划，但未说明单机不同路径过渡策略，对复杂路径规划没有涉及。Lawrence等、Goncalves等分别比较了矢量场路径规划方法与其他方法的异同，发现矢量场方法不依赖于复杂的数学模型，且计算复杂度小，动力约束的加入使其跟踪性能得到进一步提升。
研究结论：1） 本文提出了飞行器矢量场路径规划和航向跟随制导律方法。按地轴坐标系飞行器位置、速度等惯性信息以及期望路径隐函数方程，快速规划出飞行器飞行期望路径航迹线，几何解释了路径规划原理，理论证明了航向制导律能保证距离误差和航向角误差均能稳定收敛于0。
2） 本文设计了基于隐函数方程的飞行器定高飞行矢量场期望路径，仿真验证了矢量场期望路径生成方法，矢量场期望路径的分段过渡策略保证了飞行器航段过渡飞行稳定平滑。
3） 以倾转四旋翼飞行器为实际被控对象，用障碍滑雪、半圆弧段、直线巡航等仿真验证了矢量场期望路径指令生成方法和航迹控制跟踪能力，指令生成快捷，控制跟踪期望路径平滑，有利于控制跟踪。
引用格式：姜楠, 徐锦法. 矢量场路径规划算法及其仿真验证[J]. 航空工程进展, 2024, 15(4): 39-49,63. JIANG Nan, XU Jinfa. Path planning algorithm and its simulation validation based on vector field[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2024, 15(4): 39-49,63.(in Chinese)
扫码阅读全文
![]()
收录情况
中国科技核心期刊
中国科学引文数据库（CSCD）来源期刊
世界期刊影响力指数（WJCI）报告收录期刊
瑞典开放存取期刊目录（DOAJ）收录期刊
日本科学技术振兴机构数据库（JST）来源期刊
联系我们
官网地址：http://hkgcjz.ijournals.cn
电子邮箱：hangkong2010@nwpu.edu.cn
联系电话：（029）88492422
办公地点：西北工业大学友谊校区航空楼
通信地址：陕西省西安市西北工业大学143号信箱，邮编710072
