多個(gè)無人飛行器協(xié)同避障及避碰研究

楊秀霞，華 偉，孟啟源

(海軍航空大學(xué) a.控制工程系； b.研究生管理大隊(duì)， 山東 煙臺(tái) 264001)

【信息科學(xué)與控制工程】

多個(gè)無人飛行器協(xié)同避障及避碰研究

楊秀霞a，華 偉b，孟啟源b

(海軍航空大學(xué) a.控制工程系； b.研究生管理大隊(duì)， 山東 煙臺(tái) 264001)

在多個(gè)無人飛行器(UAV)進(jìn)行避障時(shí)，各個(gè)UAV通常將其他UAV當(dāng)作移動(dòng)障礙物進(jìn)行處理，忽略了其他UAV也會(huì)根據(jù)自身傳感器獲知的周圍環(huán)境信息做出相應(yīng)的避障機(jī)動(dòng)，規(guī)劃出的UAV避障路徑不可避免出現(xiàn)震顫，針對(duì)這一問題，提出了一種基于互惠速度障礙法的避障算法。避障時(shí)，不需UAV之間進(jìn)行通信，每個(gè)UAV獨(dú)立進(jìn)行同樣的避障決策，計(jì)算量少，實(shí)時(shí)性好，能夠滿足多UAV在線避障的要求。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本方法的可行性和有效性。

多UAV；協(xié)同避碰；互惠速度障礙法；在線避障

近年來，隨著無人飛行器(UAV)技術(shù)的快速發(fā)展，無論是在軍事領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域，UAV都得到了廣泛應(yīng)用[1-2]；但日益復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境使UAV的作戰(zhàn)應(yīng)用面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。對(duì)于UAV而言，如何避免與障礙物或其他UAV發(fā)生碰撞已成為亟待解決的關(guān)鍵問題[3]。針對(duì)避障問題，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[4]將人工勢(shì)場(chǎng)法加以改進(jìn)用于避障，文獻(xiàn)[5-6]中將比例導(dǎo)引法用于UAV在線避障，但是都沒有考慮其他UAV也會(huì)根據(jù)探測(cè)到的周圍環(huán)境信息做出相應(yīng)的避障機(jī)動(dòng)。本文在文獻(xiàn)[7]提出的速度障礙法的基礎(chǔ)上，提出了互惠速度障礙法，該方法在確保UAV避免發(fā)生碰撞的同時(shí)，有效避免了避障路徑存在顫振，對(duì)于UAV的實(shí)際應(yīng)用具有參考意義。

1 問題描述

假設(shè)兩個(gè)UAV都向著自己的目標(biāo)迎面而行，它們的速度都位于各自的速度障礙錐內(nèi)[7]，為了避免發(fā)生碰撞，它們會(huì)選擇位于速度障礙錐之外的速度進(jìn)行回避。一段時(shí)間之后，它們的速度都將處于各自的速度障礙錐之外。這時(shí)，為了盡快地到達(dá)目的地，它們又會(huì)選擇原來的速度，如此反復(fù)。最終它們的軌跡發(fā)生震顫。這種震顫不僅不自然，而且由于速度來回變化，也會(huì)給UAV的控制系統(tǒng)帶來額外負(fù)擔(dān)，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

圖1 UAV避碰過程示意圖

產(chǎn)生這種問題的根源是，某一個(gè)UAV在進(jìn)行避障機(jī)動(dòng)時(shí)，都假定其他UAV不會(huì)采取避碰機(jī)動(dòng)，只是以原固定速度朝著各自的目標(biāo)點(diǎn)前進(jìn)，而自己承擔(dān)全部的避障任務(wù)，這就造成了各UAV在避障過程中會(huì)發(fā)生震顫。

2 問題分析與建模

圖2 UAV運(yùn)動(dòng)示意圖

假設(shè)UAV在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，那么UAV的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為

(1)

其中，x,y,vu,σu分別為UAV在二維平面內(nèi)的橫縱坐標(biāo)，速率和方向角。

圖3 速度障礙錐示意圖

(2)

其中: ⊙(pA-pB,rA+rB)表示以pA-pB為圓心，rA+rB為半徑的安全圓。

圖4 互惠速度障礙錐示意圖

(3)

需要說明的是，當(dāng)UAV與障礙物逐漸靠近時(shí)，λRVO變大，反之減小，當(dāng)λRVO等于π時(shí)，說明UAV剛好位于障礙物安全圓上，即rA+rB=pA-pB。

3 UAV避障速度方向角的求解

(4)

根據(jù)向量間的運(yùn)算關(guān)系可知

(5)

考慮到UAV的過載約束，UAV的控制指令可確定為

(6)

其中，amax為UAV的最大加速度。

穩(wěn)定性證明：

則

sign(σRVO-σu)·min(amax,σRVO-σu)

4 仿真分析與結(jié)論

假設(shè)多個(gè)UAV在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，其速率大小保持不變?yōu)? m/s，安全半徑均為r=1.5 m，最大法向過載約束均為n=0.2，初始條件如表1所示。

表1 各UAV初始狀態(tài)與目標(biāo)位置

圖5 多UAV協(xié)同避碰動(dòng)態(tài)過程示意圖

圖6 基于VO的各UAV運(yùn)動(dòng)路徑

圖7 基于VO的各UAV方向角變化示意圖

圖8 基于RVO的各UAV運(yùn)動(dòng)路徑

圖9 基于RVO的各UAV方向角變化示意圖

通過對(duì)比圖6和圖8可以發(fā)現(xiàn)，速度障礙法和互惠速度障礙法均可以實(shí)現(xiàn)多UAV之間的避碰，但是對(duì)比圖7和圖9各UAV運(yùn)動(dòng)過程中速度方向角的變化可以發(fā)現(xiàn)，由于采用速度障礙法，每個(gè)UAV承擔(dān)全部的避障任務(wù)，導(dǎo)致其速度方向角存在震顫，而運(yùn)用互惠速度障礙法進(jìn)行避障時(shí)有效避免了這種震顫，規(guī)劃出的避障路徑更加平滑，減小了UAV飛控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，有利于提高UAV飛行過程的安全性和穩(wěn)定性。

[1] 張厚道.基于數(shù)字地圖的無人戰(zhàn)斗機(jī)低空突防軌跡規(guī)劃方法研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué),2004:1.3.

[2] 周潔萍,龔建華,王濤,等.汶川地震災(zāi)區(qū)無人機(jī)遙感影像獲取與可視化管理系統(tǒng)研究[J].遙感學(xué)報(bào),2008,12(6):877-884.

[3] 趙瑩,朱愛平,阿雯.下一代無人機(jī)研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)[J].飛航導(dǎo)彈,2008(10):9-12.

[4] 張兆寧，趙召娜.基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)法的多機(jī)動(dòng)態(tài)改航路徑規(guī)劃[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015 (2)：44-49.

[5] 劉小偉,楊秀霞.基于比例導(dǎo)引律的無人機(jī)避障研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2015(01):34-39+82.

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[7] FIORINI P,SHILLER Z.Motion Planning in Dynamic Environments Using Velocity Obstacles[J].The International Journal of Robotics Research,1998,17(7)：760-772.

StudyonCooperativeCollisionAvoidanceofMulti-UnmannedAerialVehicle

YANG Xiuxiaa, HUA Weib, MENG Qiyuanb

(a.Department of Control Engineering; b.Graduate Management Team, Naval Aeronautical University, Yantai 264001, China)

During the obstacle avoidance process, each Unmanned Aerial Vehicle takes other UAVs as moving obstacles, ignoring the fact that other UAVs will also make corresponding obstacle avoidance maneuvers based on the perceived ambient information, which results in the oscillation of the generated path. To solve the problem, a collision avoidance method based on the reciprocal velocity obstacle is proposed; the method takes into account the reactive behavior of other UAVs by assuming that they make similar collision avoidance reasoning. This method has the advantages of less computation and good real-time performance, and can meet the requirements of online obstacle avoidance. Simulation results show the feasibility and effectiveness of the proposed method.

multi-Unmanned Aerial Vehicles；coordinated collision avoidance；reciprocal velocity obstacle；online obstacle avoidance

2017-05-20；

2017-06-20

航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20135584010)

楊秀霞(1975—)，女，博士，副教授，主要從事飛行器智能控制及制導(dǎo)研究；華偉(1992—)，男，碩士研究生，主要從事飛行器導(dǎo)航制導(dǎo)與控制研究。

10.11809/scbgxb2017.10.023

本文引用格式：楊秀霞,華偉，孟啟源.多個(gè)無人飛行器協(xié)同避障及避碰研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(10):113-116.

formatYANG Xiuxia, HUA Wei, MENG Qiyuan.Study on Cooperative Collision Avoidance of Multi-Unmanned Aerial Vehicle[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(10):113-116.

V249.1

A

2096-2304(2017)10-0113-04

(責(zé)任編輯楊繼森)