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一种基于改进RRT的高动态固定翼无人机航迹规划方法

申请号 CN202410050887.9 申请日 2024-01-13 公开(公告)号 CN117991804A 公开(公告)日 2024-05-07
申请人 西北工业大学; 发明人 张栋; 张钊华; 王孟阳; 郑元世; 李林;
摘要 本 发明 涉及一种基于改进RRT的高动态固定翼无人机航迹规划方法,属于无人机航迹规划领域。综合考虑了无人机 运动学模型 、无人机飞行能 力 约束、地形障碍威胁、地面与空中人工威胁等;本发明方法在RRT扩展 节点 时赋予其节点属性,通过分辨节点属性选择节点扩展策略从而有效加快了 算法 的收敛速度,结合无人机飞行性能对扩展方向加以约束从而满足可飞性要求,并通过航迹多次重构的方法实现航迹平滑算法实现了在占用较小计算资源情况下快速计算出无人机在复杂环境下的避障可飞路线。
权利要求

1.一种基于改进RRT的高动态固定翼无人机航迹规划方法,其特征在于,包括:
获取无人机的起始点、终止点、威胁区域;根据起始点、终止点、威胁区域设定无人机航迹的规划空间;
将无人机的起始点、终止点作为随机生成树的起点和终点;将随机生成树内的点Pn,s赋予四种状态属性:{Pn,κ|κ=0,1,2,3};其中n表示点的编号,κ表示点的四种状态:κ=0时,表示此点处于方向末端,没有从此点继续延伸,称此点为末端点;κ=1时,表示此点沿着向终点的方向生长出了下一个点,称此点为定向点;κ=2时,表示此点只能沿着随机方向生长出下一个点,称此点为随机点;κ=3时,表示此点已经尝试生长了过多次,需要放弃从此点生长,称此点为放弃点;
采用启发机制的待生长点选取方法对随机生成树进行待生长点Pcurrent选择;
对待生长点Pcurrent进行属性判断,根据属性进行生长方向选择;直至生长点Pcurrent接近终点,随机生成树上所有保留的点构成无人机的航迹;
对航迹进行裁剪修建冗余节点,使得航迹更加平滑。
2.根据权利要求1所述一种基于改进RRT的高动态固定翼无人机航迹规划方法,其特征在于,所述采用启发机制的待生长点选取方法对随机生成数进行待生长点选择,具体为:
每次选取待生长点Pcurrent前,首先在规划空间内随机生成随机点Prand,计算当前随机生成树内所有点到Prand的距离,将此距离记为drand;同时计算当前随机生成树内所有点到终点Pend的距离,将此距离记为dend;计算规划空间内起点Pstart到终点Pend的距离,记为dse;对每个点计算其相对启发值fn:
选择树内相对启发值fn最低的点作为生长点:
fn(i)=min{fn(1)…fn(N)}
式中,i表示被选中的点的序号,N表示树内点的总数;同时,选择树内生长点时,若被选中的点为放弃点(Pi,s|s=3),则回溯到此点的父节点
3.根据权利要求1所述一种基于改进RRT的高动态固定翼无人机航迹规划方法,其特征在于,所述对待生长点Pcurrent进行属性判断,根据属性进行生长方向选择,具体为:
当Pcurrent(i)定向生长时,Pcurrent(i)向着终点Pend(i)方向生长;当Pcurrent(i)随机生长时,会朝向Prand方向点生长;
若生长的航迹经过了威胁区域,则标记此点为随机点,并尝试向随机方向生长,直至此点生长出一个符合要求的子节点Pnew;若此点已被标记过不适合向终点生长,就转向可行的随机方向生长,直至此点生长出一个符合要求的子节点Pnew;Pcurrent点在每次尝试生长时,会记忆一次生长次数;若此Pcurrent点生长次数大于设定次数则放弃此点,并标记其为放弃点。
4.根据权利要求3所述一种基于改进RRT的高动态固定翼无人机航迹规划方法,其特征在于,所述待生长点Pcurrent的生长方向Anglei(χi,γi)需满足飞行器飞行性能约束,其中,i表示Pcurrent序号;若某次生长方向在无人机的性能约束范围之外,则沿着最靠近随机方向的边界范围生长,如下式:
其中,χleft表示左边界,χleft表示右边界,γpitch表示向下俯,γclimb表示向上仰角。
5.根据权利要求1所述一种基于改进RRT的高动态固定翼无人机航迹规划方法,其特征在于,所述对航迹进行裁剪修建冗余节点,使得航迹更加平滑,具体为:
路径经过裁剪保留下的点应同时满足下式:
3
其中,B 表示包含障碍威胁的空间的集合,n,m表示航路点的序号,N表示生成的路径内包含航路点的总个数,PnPm表示直接连接Pn、Pm生成的线段;遍历路径内所有的点,直至所有的点均不可被剔除。
6.一种计算机系统,其特征在于包括:一个或多个处理器,计算机可读存储介质,用于存储一个或多个程序,其中,当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时,使得所述一个或多个处理器实现权利要求1‑5任一项所述的方法。
7.一种计算机可读存储介质,其特征在于存储有计算机可执行指令,所述指令在被执行时用于实现权利要求1‑5任一项所述的方法。

说明书全文

一种基于改进RRT的高动态固定翼无人机航迹规划方法

技术领域

[0001] 本发明属于无人机航迹规划领域,具体涉及一种基于改进RRT的高动态固定翼无人机航迹规划方法,该编队方法可广泛应用于各类固定翼等无人飞行器的快速航迹规划。

背景技术

[0002] 无人机的航迹规划问题是指为无人机求解出执行任务所需要的一条从自身起点到任务区域的安全可飞路径。航迹规划问题是无人机拥有自主智能的核心与关键问题。近年来无人机正在大规模应用于各领域,并表现出了极高的工作效率与极低的工作成本,例如军事领域中应用无人机进行侦察、巡逻;农业领域使用无人机进行播种农药喷洒;灾害防控领域使用无人机预测洪、泥石流等。为使得无人机高效地执行既定任务,搭载精确快速的航迹规划算法使其具备战场智能是当前无人系统研究的热点方向。由于无人机投放后飞行时间有限,面对的环境复杂多变,无人机需要在短时间内获取可飞且高效的飞行路径,才能抓住执行任务的时间窗口,保证无人机任务执行的成功率。
[0003] 航迹规划问题作为无人机领域的一项关键技术与核心基础,一直处于研究热点,并有大量学者做出了具有价值的研究成果,目前的航迹规划方法主要分为三类:将规划空间离散化成网格后基于图的搜索方法、基于全局的智能优化算法以及基于概率采样的算法。
[0004] 在基于图的搜索方法中如Dijkstra算法、A*算法等其能在搜索时准确找到每一步的最优解,从而生成一条总体代价较低的航迹,但此类方法严重受限于其网格分辨率当网格分辨率较低时航迹质量往往较差且可能出现无解情况,当网格分辨率过高时会出现其收敛速度过慢且占用资源巨大等情况。
[0005] 基于全局的智能优化算法,其基本思路是将求取的航迹当作规划空间内的一组最优解,并通过群智能算法或人工算法进行求解,典型的方法包括:蚁群优化算法、粒子群优化算法等对航迹的优化程度更好,但在实时性上具有巨大劣势,并且算法收敛时间随代价函数的复杂程度增大而急剧上升。同时此类算法注重于算法的最优性,迭代效率较差求解时对算要求高,对于环境变化的任务场景适应能力差,不能部署在无人机的机载处理器中。
[0006] 基于概率采样的算法,如快速探索随机数(RRT)、概率路线图(PRM)等方法。其中RRT方法通过随机采样对航迹进行随机扩展,其航迹点的扩展速度较快、对规划空间的搜索程度较高,并且具有概率完备的特点,当搜索时间充分时一定能找到存在的可行解。同时RRT算法无需对整个规划空间进行预处理,避免了搜索路径时计算复杂度随规划空间维度上升而指数倍增的问题,基于以上优点,RRT算法被广泛用于解决三维空间的复杂航迹规划问题,然而RRT算法本身具有扩展盲目、方向性差、计算重复等缺点,因此无法直接使用在无人机的航迹规划求解问题中。
[0007] 以上航迹求解方法都有各自的优劣与侧重点,但其原始算法均没有结合固定翼无人机的飞行能力约束,产生的飞行航迹不可飞。同时存在收敛速度慢、求解所需算力大等缺点。如何设计出一套占用计算资源小从而使其能部署在机载处理器中,同时收敛速度快、能适应较为复杂的任务环境的航迹规划方具有非常重大的理论与工程实用意义。

发明内容

[0008] 本发明所要解决的技术问题是:
[0009] 为了避免现有技术的不足之处,本发明提供一种基于改进RRT的高动态固定翼无人机航迹规划方法,用于解决现有的RRT算法搜索速度较慢,避障航迹突兀,同时扩展航迹时不满足固定翼无人机的飞行能力约束。
[0010] 为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
[0011] 一种基于改进RRT的高动态固定翼无人机航迹规划方法,其特征在于,包括:
[0012] 获取无人机的起始点、终止点、威胁区域;根据起始点、终止点、威胁区域设定无人机航迹的规划空间;
[0013] 将无人机的起始点、终止点作为随机生成树的起点和终点;将随机生成树内的点Pn,s赋予四种状态属性:{Pn,κ|κ=0,1,2,3};其中n表示点的编号,κ表示点的四种状态:κ=0时,表示此点处于方向末端,没有从此点继续延伸,称此点为末端点;κ=1时,表示此点沿着向终点的方向生长出了下一个点,称此点为定向点;κ=2时,表示此点只能沿着随机方向生长出下一个点,称此点为随机点;κ=3时,表示此点已经尝试生长了过多次,需要放弃从此点生长,称此点为放弃点;
[0014] 采用启发机制的待生长点选取方法对随机生成树进行待生长点Pcurrent选择;
[0015] 对待生长点Pcurrent进行属性判断,根据属性进行生长方向选择;直至生长点Pcurrent接近终点,随机生成树上所有保留的点构成无人机的航迹;
[0016] 对航迹进行裁剪修建冗余节点,使得航迹更加平滑。
[0017] 本发明进一步的技术方案:所述采用启发机制的待生长点选取方法对随机生成数进行待生长点选择,具体为:
[0018] 每次选取待生长点Pcurrent前,首先在规划空间内随机生成随机点Prand,计算当前随机生成树内所有点到Prand的距离,将此距离记为drand;同时计算当前随机生成树内所有点到终点Pend的距离,将此距离记为dend;计算规划空间内起点Pstart到终点Pend的距离,记为dse;对每个点计算其相对启发值fn:
[0019]
[0020] 选择树内相对启发值fn最低的点作为生长点:
[0021] fn(i)=min{fn(1)…fn(N)}
[0022] 式中,i表示被选中的点的序号,N表示树内点的总数;同时,选择树内生长点时,若被选中的点为放弃点(Pi,s|s=3),则回溯到此点的父节点
[0023] 本发明进一步的技术方案:所述对待生长点Pcurrent进行属性判断,根据属性进行生长方向选择,具体为:
[0024] 当Pcurrent(i)定向生长时,Pcurrent(i)向着终点Pend(i)方向生长;当Pcurrent(i)随机生长时,会朝向Prand方向点生长;
[0025] 若生长的航迹经过了威胁区域,则标记此点为随机点,并尝试向随机方向生长,直至此点生长出一个符合要求的子节点Pnew;若此点已被标记过不适合向终点生长,就转向可行的随机方向生长,直至此点生长出一个符合要求的子节点Pnew;Pcurrent点在每次尝试生长时,会记忆一次生长次数;若此Pcurrent点生长次数大于设定次数则放弃此点,并标记其为放弃点。
[0026] 本发明进一步的技术方案:所述待生长点Pcurrent的生长方向Anglei(χi,γi)需满足飞行器飞行性能约束,其中,i表示Pcurrent序号;若某次生长方向在无人机的性能约束范围之外,则沿着最靠近随机方向的边界范围生长,如下式:
[0027]
[0028]
[0029] 其中,xleft表示左边界,xleft表示右边界,γpitch表示向下俯,γclimb表示向上仰角。
[0030] 本发明进一步的技术方案:所述对航迹进行裁剪修建冗余节点,使得航迹更加平滑,具体为:
[0031] 路径经过裁剪保留下的点应同时满足下式:
[0032]
[0033]
[0034] 其中,B3表示包含障碍威胁的空间的集合,n,m表示航路点的序号,N表示生成的路径内包含航路点的总个数,PnPm表示直接连接Pn、Pm生成的线段;遍历路径内所有的点,直至所有的点均不可被剔除。
[0035] 一种计算机系统,其特征在于包括:一个或多个处理器,计算机可读存储介质,用于存储一个或多个程序,其中,当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时,使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。
[0036] 一种计算机可读存储介质,其特征在于存储有计算机可执行指令,所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
[0037] 本发明的有益效果在于:
[0038] 本发明提供的一种基于改进RRT的高动态固定翼无人机航迹规划方法,综合考虑了无人机运动学模型、无人机飞行能力约束、地形障碍威胁、地面与空中人工威胁等;本发明方法在RRT扩展节点时赋予其节点属性,通过分辨节点属性选择节点扩展策略从而有效加快了算法的收敛速度,结合无人机飞行性能对扩展方向加以约束从而满足可飞性要求,并通过航迹多次重构的方法实现航迹平滑算法实现了在占用较小计算资源情况下快速计算出无人机在复杂环境下的避障可飞路线。附图说明
[0039] 附图仅用于示出具体实施例的目的,而并不认为是对本发明的限制,在整个附图中,相同的参考符号表示相同的部件。
[0040] 图1为RRT算法扩展节点示意图。
[0041] 图2为本发明的航迹扩展时的扩展节点属性示意图。
[0042] 图3为本发明航迹扩展时选取待生长点的策略示意图。
[0043] 图4为本发明航迹扩展时的节点生长流程示意图。
[0044] 图5为本发明对航迹裁剪前后的对比示意图:(a)原始航迹图;(b)航迹裁剪后图。
[0045] 图6为本发明对航迹重塑前后的对比示意图:(a)航迹重塑后二维示意图;(b)航迹重塑后三维示意图。
[0046] 图7为本发明的执行流程示意图。
[0047] 图8为本发明在100KM×100KM范围内战场环境下的算法仿真图。

具体实施方式

[0048] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图和实施例,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用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0049] RRT算法的思路为从起点开始生长航迹节点,通过生成的随机点确定生长方向,直至最终整个随机树生长到终点附近时,通过不断查找子节点的父节点的方式进行迭代回溯,最终生成从起点到终点的一条随机路径。如图1所示。
[0050] RRT算法是通过在规划空间内,使随机树内节点不断生长,最终当某一节点到达目标附近时,不断查询与此点相关联的父节点直到回溯至起始点,从而生成一条航迹。最初的随机树内只有起始点,通过不断产生随机点,选择合适的待生长点使其生长出子节点从而使随机树不断扩展,其具体的算法流程如下:
[0051] 首先在飞行空间A2内生成一个随机采样点Prand,将随机树Ptree内距离Prand最近的点标记为当前点Pcurrent,即满足:
[0052]
[0053] 从Pcurrent向Prand的方向延长Lstep的距离,生长出子节点Pnew;
[0054]
[0055] 此时称Pcurrent为Pnew的父节点,Pnew为Pcurrent的子节点。判断从Pcurrent到Pnew的直线航迹片段是否碰撞到障碍OD,若不碰撞则将Pnew存入Ptree,迭代计算直至Pnew满足以下条件:
[0056] |Pnew‑Pend|≤disend (3)
[0057] 其中,Pend表示终止点,disend表示迭代至目标点终止距离。若式(3)成立,则将Pend也添加至随机树Tree,回溯节点并生成路径。否则继续生成下一个点。直至生成的点Pnew在终止距离内。
[0058] 从RRT算法的流程中可以看出RRT选择待生长点的随机性强,且生长出的子节点不具备生长倾向,导致算法收敛速度慢,计算时间长,并且得到的航迹比较扭曲,与最短航迹有较大差距。
[0059] 基于上述分析,RRT算法本身具有完全的随机性,其生长探索方向没有规律导致算法收敛速度过慢,同时在生长过程中会产生无用的节点,浪费算力。本发明通过迫使算法在无障碍探索或未触碰到障碍探索时向终点方向生长,使得算法的搜索具有强方向性;在避障绕飞时,通过回溯机制可以避免产生的无效点过多的问题。同时在每步探索时结合无人机的飞行能力约束,解决了RRT算法航迹过于扭曲无法部署与固定翼无人机的工程问题。从以下四个部分进行改进:
[0060] 1)航迹点属性机制
[0061] 基础的RRT算法中,每个叶子节点之间均无区分,采用随机选取生长的方式,容易造成反复生长、生长出的点相差较小,为使收敛速度加快,对每个点Pn,s赋予各自的四个状态属性:{Pn,κ|κ=0,1,2,3}。其中n表示点的编号,κ表示点的四种状态。其中κ=0时,表示此点处于方向末端,没有从此点继续延伸,称此点为末端点;κ=1时,表示此点沿着向终点的方向生长出了下一个点,称此点为定向点;κ=2时,表示此点只能沿着随机方向生长出下一个点,称此点为随机点;κ=3时,表示此点已经尝试生长了过多次,需要放弃从此点生长,称此点为放弃点。各个类型点属性如图2所示:
[0062] 2)采用启发机制的待生长点选取方法
[0063] 相较于传统RRT的生长点随机选取方法,本发明使用启发机制改善选取机制,使得每次选取生长点Pi,s=3更加合理,给予树的生长明确的方向性,并加快了生长速度,提高了算法效率,并且避免了当随机树逐渐靠近终点Pend方向性逐渐减弱的情况,具体方法如下:
[0064] 每次选取待生长点Pcurrent前,首先在规划空间内随机生成随机点Prand,计算当前生成树内所有点到随机采样点Prand的距离,将此距离记为drand;同时计算生成树内点到终点Pend的距离,将此距离记为dend;计算规划空间内起点Pstart到终点Pend的距离,记为dse。对每个点计算其相对启发值fn:
[0065]
[0066] 选择树内相对启发值fn最低的点作为生长点:
[0067] fn(i)=min{fn(1)…fn(N)} (5)
[0068] 式中,i表示被选中的点的序号,N表示树内点的总数。同时,选择树内生长点时,若被选中的点为放弃点(Pi,s|s=3),则回溯到此点的父节点,如图3所示。
[0069] 3)结合飞行性能约束的随机树快速生长方法
[0070] 传统RRT算法会向任何可能的方向生长,随机性过强方向性太弱。本发明针对此问题对算法流程做出了如下改进:根据上述2)节选取策略选取出合适的待生长点Pcurrent后,始终优先向终点Pend方向生长,若生长的航迹经过了威胁区域,则标记此点为随机点,并尝试向随机方向生长,直至此点生长出一个符合要求的子节点Pnew;若此点已被标记过不适合向终点生长,就转向可行的随机方向生长,直至此点生长出一个符合要求的子节点Pnew;Pcurrent点在每次尝试生长时,会记忆一次生长次数;若此Pcurrent点生长次数过多则放弃此点,并标记其为放弃点。算法流程如图4所示,其中Lt表示规定的可尝试生长次数。
[0071] 同时,每次Pcurrent生长时,其生长方向Anglei(χi,γi),i表示Pcurrent序号,需满足飞行器飞行性能约束。若某次生长方向在无人机的性能约束范围之外,则沿着最靠近随机方向的边界范围生长。如式(6)(7)所示
[0072]
[0073]
[0074] 其中,xleft表示左边界;xleft表示右边界;γpitch表示向下俯角;γclimb表示向上仰角。
[0075] 4)冗余点裁剪与航迹重塑
[0076] 当随机树生长完成,并回溯生成最初的路径后,通过路径裁剪修建冗余节点,只保留关键节点。当路径内的两点之间直接连线不经过障碍威胁时,认为在这两点之间的所有点均为无效点,并将这些点从路径内剔除。路径经过裁剪保留下的点应同时满足式(8)(9):
[0077]
[0078]
[0079] 其中,B3表示包含障碍威胁的空间的集合,n,m表示航路点的序号,N表示生成的路径内包含航路点的总个数,PnPm表示直接连接Pn,Pm生成的线段。遍历路径内所有的点,直至所有的点均不可被剔除。图4为冗余裁剪前后的路径对比图,可以看出经过冗余点裁剪后,航路点数目大幅减少,有效剔除了无效路径。
[0080] 经过裁剪后的航迹路径虽然比较简洁,但有可能不满足飞行器的性能约束,此时通过航迹重塑的方法,对将留下的航迹点当作中间节点,采取上述3)节的生长策略,按航迹点顺序重新连接每两个相邻的中间结点,生成可飞路径。重塑后的结果如图5所示。
[0081] 为了使本领域技术人员更好地理解本发明,下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
[0082] 实施例1:
[0083] 如图6所示,本发明实施例提供的一种基于改进RRT的高动态固定翼无人机航迹规划方法,包括以下步骤:
[0084] 步骤1:在投放无人飞行器前,或无人飞行器在巡航飞行时,无人飞行器收到新的任务地点,需要快速求取通过布有威胁的战场环境的安全航迹;无人飞行器收到指令后,将随指令下发的起始点、终止点、外部战场威胁输入;设定规划空间的范围,从存储中读取三维高程地形图数据。
[0085] 步骤2:算法初始化:将无人机的起始点存入树中,并标记其点属性S=0(Pstart,s=0)。如上述1)节所述。
[0086] 步骤3:算法启动后,每次会对无人机的树Tree进行待生长点Pcurrent进行选择,选取方法如上述2)节所述。
[0087] 步骤4:对待生长点Pcurrent进行属性判断,然后进行生长方向选择,如上述3)节所述。当Pcurrent(i)定向生长时,Pcurrent(i)向着终点Pend(i)方向生长;当Pcurrent(i)随机生长时,会朝向Prand方向点生长。
[0088] 步骤5:避碰判断,链接Pcurrnet到Pnew的线段,分别检测此线段是否与地形相碰、是否与障碍相碰。若碰撞则按图4所示重新生成Pnew。
[0089] 步骤6:判断生长出的点Pnew是否足够靠近终点Pend,若不满足则回到步骤2。若满足则将终点Pend添加进Tree中,然后进入步骤5。
[0090] 步骤7:对航迹进行裁剪重塑,使得航迹更加平滑,如上述4)节所述。然后将生成的航路数据输出到无人飞行器控制器中,进行航路替换。
[0091] 使用如表1所示的仿真运行环境,对不同数目的无人机同时使用本发明方法进行航迹规划,每1000次的平均规划计算速度计算结果如表2所示。可以看出本发明提出的方法具有较大的性能提升。
[0092] 表1算法仿真环境
[0093]
[0094] 表2算法仿真速度
[0095]
[0096] 以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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