基于改进人工势场法和自适应神经网络的共轴双旋翼无人机避障飞行控制

针对共轴双旋翼无人机(coaxial rotor unmanned aerial vehicle, CR-UAV)在未知和危险环境中飞行避障的控制问题，基于飞行态势图和改进人工势场算法，提出了一种新的避障方法。首先，该方法通过飞行态势图对障碍物信息进行建模，考虑了CR-UAV飞行控制的约束条件，可使无人机有效利用障碍物信息进行避障，避免了局部极小点的问题，无人机的控制和避障能力显著提高；其次，采用基于径向基函数的神经网络(RBFNN)对CR-UAV飞行中的干扰进行估计并实时补偿，采用非线性状态误差反馈实现CR-UAV的姿态跟踪控制，从而保持无人机避障飞行过程中的姿态稳定；最后，进行了仿真实验。从仿真结果可以看出，无人机在避障飞行具有良好的姿态稳定能力。     

三维动态环境下多无人机编队分布式保持控制

针对无人机编队沿参考轨迹飞行时遭遇突发障碍物而发生碰撞的问题, 提出一种可实时避障及机间避碰的分布式编队保持算法. 基于虚拟结构编队策略, 采用非线性模型预测控制(NMPC) 方法设计分布式编队控制器. 为了实现通讯延迟下的机间避碰, 采用基于不同优先级的改进避碰惩罚策略. 仿真结果表明, 所设计的分布式编队控制器能保证编队及时避开环境中的突发障碍物, 且无人机间不发生互碰, 避障后的各编队继续以原队形沿参考轨迹飞行.

     

基于双旋Lyapunov矢量场的无人机避障算法

提出一种基于双旋Lyapunov矢量场的无人机避障算法.首先,建立无人机和障碍物的模型,并根据无人机有限时间是否会侵犯障碍物安全圆设计避障判定规则;然后,基于最小侧向偏移量原则选定避障机动中无人机速度旋转方向为最优避障方向,选定其反方向为矢量场旋转方向,定义成功避障的标准并进行证明;最后,通过建立的障碍物合并规则提升避障效率,使得上述方法适用于未知环境下的无人机在线避障.仿真结果表明,在无人机性能约束下,所提出的算法对动态和静态障碍都能有效避障,算法性能优于Dubins路径和人工势场法.     

基于PH曲线的无人机路径规划算法

研究了无人机可飞行路径规划问题,传统路径规划算法不能生成满足无人机运动学约束的可飞行路径.为解决上述问题,提出了将曲率连续的Pythagorean Hodograph (PH)曲线(又称勾股速端曲线)直接用于无人机路径规划的方法,利用PH曲线曲率连续、曲线平滑以及有理特性,在已知威胁的环境中可直接得到满足最大曲率约束且曲率连续的无人机可飞行路径.采用遗传模拟退火算法搜索避开环境中威胁体,并满足约束条件的最优PH路径,使仿真过程结合遗传算法和模拟退火算法的优点,取长补短,提高搜索效率,加强全局搜索能力.仿真结果表明,遗传模拟退火算法能在较少的进化代数下得到最优路径解,且所得的满足约束条件的PH路径曲率连续,为无人机飞行控制提供了依据.     

基于比例导引律的无人机避障研究

随着无人机作战环境日益复杂,无人机避开动态障碍物的研究成为热点问题.为提高导引避障性能,借助比例导引律的思想,通过使无人机与动态障碍物的相对速度方向导引到避障向量方向,完成避障.为满足避障完成时间和无人机机动性能约束要求,给出了避障时间估计和法向加速度表达式,通过解算得到了比例导引系数取值范围.避障完成后无人机在避障点可用比例导引律进行路径规划,最后到达目标点.仿真结果验证了算法的有效性.     

基于贝叶斯决策的无人机飞行路径自动规划方法

传统无人机飞行路径自动规划方法无法获取全部障碍物信号,使无人机飞行不能达到避障效果,导致飞行路线规划效果较差;为此提出基于贝叶斯决策的无人机飞行路径自动规划方法;无人机飞行路径自动规划硬件模块包含自动规划模块、动画演示模块、地图导航模块和数据导出模块,自动规划模块负责控制无人机飞行;动画演示模块使用240PRO型号的LEWITT声卡,为展示飞机飞行路线提供声音;LS-TM8N地图导航模块通过串口将射频信号发送到天线的输入端,再由数据导出模块导出并保存相关数据;基于贝叶斯决策原理,结合贝叶斯元胞蚁群算法,计算贝叶斯先验概率和后验概率,规划无人机飞行路径,获取最优路径;实验结果表明,该方法遇到静态障碍物捕获的避障信号在-28～30mV范围内波动,动态障碍物捕获的避障信号在-27～30 mV范围内波动,与实际障碍物信号波动范围一致,避障效果较优.     

分布式无人机队列控制与动态障碍规避设计

研究分布式无人机集群巡航任务中的协同路径跟踪问题与动态避障控制问题.利用transverse feedback linearization(TFL)方法对无人机的动力学模型进行变换,通过解耦控制实现对期望巡航路径的跟踪.在期望路径方向上,设计基于一致性协议的分布式无人机队列协同控制算法,并结合势场法设计协同巡航过程中对移动障碍物的规避控制策略.在队列达成一致性目标的同时,能够保障队列行进的安全性.基于Lyapunov分析方法和LaSalle不变原理证明闭环系统的稳定性,同时采用能量法证明队列中的无人机不会与动态障碍物发生碰撞.最后,基于搭建的无人机协同飞行实验平台,完成多架无人机的协同队列控制和移动障碍物规避实验,飞行实验结果验证了所设计协同控制算法与避障控制策略的有效性.     

固定翼无人机在线航迹规划方法

在不确定环境下,针对固定翼无人机（UAV）航迹规划问题,提出了一种基于滚动时域控制的模糊粒子群优化算法与改进人工势场法相结合的在线航迹规划方法。首先,对凸多边形障碍物进行最小外接圆拟合;然后,根据静态威胁,将规划问题转化为一系列时域窗口内的在线子问题,利用模糊粒子群算法实时优化求解以实现静态避障;当环境中存在动态威胁时,使用改进人工势场法对航迹进行调整完成动态避障。为了满足固定翼无人机的动态约束,同时提出固定翼UAV的碰撞检测法,可提前判断障碍物是否为真正威胁源,以此减少转弯频率和幅度,降低飞行代价。仿真实验结果表明,所提方法在固定翼UAV航迹规划中能有效提升规划速度、稳定性与实时避障能力,且克服了传统人工势场容易陷入局部最优的缺点。     

基于滚动速度障碍法的无人机山地航测避障路径规划研究

无人机在进行山地航测时,经常遭遇鸟类等动态障碍,若不能及时规避掉障碍,极容易发生坠机事故。为此,研究一种基于滚动速度障碍法的无人机山地航测避障路径规划方法。基于山地环境模型,结合飞行路径长度、路径平滑度建立一个综合目标函数并利用改进布谷鸟搜索算法求解,得到无人机山地航测的初始路径。对图像进行预处理后,识别无人机初始路径飞行过程中遇到的障碍物,并通过超声波测量无人机与障碍物之间的距离,以此建立速度障碍模型,实现速度障碍碰撞分析,通过滚动窗口的方式确定无人机与障碍物是否存在飞行冲突。基于滚动速度障碍避障方法实现滚动角度避障和速度避障,获取最终的优化路径,完成基于滚动速度障碍法的无人机山地航测避障路径规划。测试结果表明:航测避障路径长度为571.45m,平滑度为165.52,规划的方案更具合理性。     

基于凸面体圆弧航路的无人机自主避障算法

为解决无人机飞行过程中障碍物规避问题,提出一种新的三维自主避障算法.首先,根据障碍物的若干信息利用标准凸面体对不规则障碍物进行数学建模,用一个或多个标准凸面体覆盖障碍物整体或关键部分;然后,根据障碍物模型设计圆弧规避航路算法,将避障问题转化为跟踪规避航路控制问题,并定义避障判定、避障方向判断和成功避障规则;最后,结合非...     

基于改进RRT算法的无人机三维避障规划

RRT算法由于其在复杂环境中有强大的随机搜索能力,在无人机避障规划中被广泛运用.为了提高无人机避障规划的效率,提出了一种基于预规划路径优化RRT算法的无人机三维避障规划算法.算法首先在障碍物膨胀规则和相交规则下生成预规划路径,然后将预规划路径看做成连续的质点组成,按一定的扩展树步长的比例从连续质点取点来确定搜索树的随机状态点,最后RRT算法在这些随机状态点的引导下进行搜索,生成避障规划路径.仿真结果表明,改进的RRT算法生成的预规划路径降低了障碍物搜索的时间和增强了搜索树扩展的方向性;预先确定的随机状态点使搜索树在扩展中具有方向性,可减少新生节点的个数和路径长度,进而提高了无人机避障路径规划的效率,使得最终生成避障路径的时间更优.     

基于行为的实时路径规划

针对室内移动机器人导航要求,开发了以二维激光雷达作为探测环境的传感器,基于4个反应式行为,设计了一种简单的实时路径规划算法.避障行为使机器人穿过狭小通道,或者在某些障碍物环境下绕出狭窄区域;接近行为使机器人顺着障碍物前进直到开阔地带;搜寻行为使机器人不断朝向目标运动;线性行为使机器人到达目标点.机器人表现出很强的路径寻找能力,并且不需要定位信息.仿真实验表明该算法速度快,实时性好,路径平滑无震荡,实现了有效避障.     

基于改进人工势场法电力巡检无人机航迹规划

论文中结合无人机在电力巡检中的应用以及无人机巡线的方式,引入了理想巡检路径,提出了一种基于人工势场的无人机航迹规划避障的改进算法;根据电力巡检无人机的应用场景对势函数进行了调整,并且引入无人机在理想航迹投影点的引力场,当无人机陷入U型障碍物时调整无人机对障碍物感知的范围,使无人机摆脱U型障碍物.该改进算法不仅可以提高无人机巡线的效率,也可以解决部分局部极小问题.最后通过二维平面轨迹规划问题的数学仿真,验证了该方法的有效性.     

一种空间曲线轨迹跟踪的无人机自适应导航控制算法

随着固定翼无人机飞行任务复杂化,为了实现高精度的空间曲线导航控制,基于L1-Navigation非线性导航控制算法,设计自适应模糊控制器优化固定翼无人机跟踪空间曲线导航控制方法。以球面上的空间八字曲线为例,对八字曲线建模,通过坐标转换求得目标航点位置来计算无人机飞行加速度。为了优化加速度控制无人机跟踪空间曲线性能,在L1-Navigation导航控制器中,针对增益系数设计一个双输入单输出模糊控制系统,以轨迹误差和轨迹误差变化率为输入量,以计算横向加速度的增益系数常数为输出量。最后,在Ardupilot飞控中进行飞行模拟实验,飞行实验表明,所提出方法能够精确跟踪空间曲线路径,并且有很好的自适应性。     

基于卡尔曼滤波算法的无人机避障路线智能生成方法

为了提高无人机避障效果,提出基于卡尔曼滤波算法的无人机避障路线生成方法。在障碍物匹配和潜在障碍物检测的基础上,利用卡尔曼滤波算法提取障碍物位置信息,并求解无人机的最优飞行方向,通过控制线速度和角速度实现无人机自动生成避障路线。以避障效果、障碍物检测率、定位误差率为实验指标进行实验,实验结果表明所提方法避障效果好、障碍物的检测率高和定位障碍物的误差率低。     

深海集矿机模型车避障系统设计

考虑深海底集矿机的未知、复杂工作环境以及在集矿机上做试验的不便,设计并实现了深海集矿机模型车避障系统;该系统先用超声波传感器检测障碍物信息,然后用高性能单片机AT89S52对信息进行处理后传送到水下工控机,在此基础上,运用改进势场法进行行走避障,规划出深海集矿机模型车作业路径;此算法适应于动态未知复杂环境下的深海集矿机实时导航和避障,且在目标点附近存在障碍物时也能达到目标;仿真和试验结果验证了该算法的有效性。     

智能化无人机测绘路径规划与动态避障算法研究

在常规无人机路径规划和动态避障算法中,研究人员通常采用随机选择的方式为无人机生成避障路线,往往会导致无人机的安全避障率不足。因此,提出智能化无人机测绘路径规划与动态避障算法。首先,划分无人机的测绘环境空间,通过栅格法选择最优路线,设置无人机的限制和环境约束。其次,预测无人机的碰撞路线,根据是否碰撞设定速度的加减,无法有效避障时通过强化学习法重新规划无人机的行进路线,再转回已有的最优路径规划中。最后,进行实验分析。实验结果表明,所设计的动态避障算法具有一定的优势,能够有效避开障碍物,优于对照组。     

基于柱状空间和改进A*算法的无人机规避方法

针对无人机避障问题,提出了基于改进A~*算法和柱状空间的无人机规避方法。首先,根据无人机飞行区域的障碍物分布情况,建立飞行区域的柱状空间;然后将障碍物对无人机的影响引入到估价函数中,重新设计启发函数;最后将基于柱状空间和改进A~*算法的无人机规避方法应用于无人机的规避中,并对规划的路径进行平滑处理。仿真结果表明,该算法能够有效地实现无人机的规避。     

基于LGMD的无人机避障方法研究

为提高无人机避障的灵活性和可靠性，提出了一种基于LGMD（Lobula Giant Movement Detector）的无人机避障方法，通过将视场分割为上、下、左、右4个方位，形成4个方位竞争的LGMD（C-LGMD），并利用Matlab软件进行算法实现和视频仿真分析，最后将算法移植到无人机硬件系统，开展悬停测试和实时飞行实验研究。由视频仿真分析和悬停测试结果表明，该算法能有效分辨来自不同方位的障碍物，具有较好的避障性能和鲁棒性；在实时飞行测试中，无人机在室内环境中可实现三维空间有效避障，验证了该算法的可靠性。研究结果为进一步探索无人机高效、可靠避障提供参考依据。     

无人驾驶车辆局部路径规划的时间一致性与鲁棒性研究

在无人驾驶系统中,局部规划在跟踪全局路径的同时完成避障,提高了规划系统在动态未知环境中的工作能力.避障分析的有效性是局部规划最重要的功能之一.然而在仿真和实车测试中发现,广泛使用的基于优化求解的局部规划算法无法在不依赖全局精确定位时保证规划结果满足时间一致性要求.时间不一致将导致车辆的实际行驶路线偏离初始规划结果,造成避障分析失效.本文设计了基于前向预测的局部路径规划算法,在不依赖全局精确定位的前提下保证规划结果的时间一致性.除了时间一致性问题外,跟踪控制误差也是导致规划结果避障分析失效的主要原因之一.现有研究大多通过膨胀障碍物体现误差的影响,然而这种方法无法避免车辆驶入膨胀危险区域而停车.本算法在路径生成过程中增加误差影响,用通行区域代替原有不具有宽度的规划路径进行避障分析,既可以解决误差导致的避障失效,又避免出现膨胀障碍物带来的问题.通过V-Rep软件与实车规划程序进行联合仿真,在能够体现时间一致性影响的典型场景中对本算法与基于最优化曲线生成的局部路径规划算法进行比较, 验证了该算法具有更好的安全分析有效性.应用本算法的北京理工大学无人驾驶平台参加了2013年智能车未来挑战赛,在无人干预的情况下顺利完成 18公里城郊赛段和5公里城市赛段行驶,展现了良好的避障能力.