基于改进人工势场的物流无人机三维航迹规划.pdf
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1、 :引用格式:陈明强,冯树娟,李奇峰基于改进人工势场的物流无人机三维航迹规划无线电工程,():,():基于改进人工势场的物流无人机三维航迹规划陈明强,冯树娟,李奇峰(中国民用航空飞行学院 飞行技术学院,四川 广汉)摘要:针对传统人工势场(,)法在物流无人机航迹规划中存在的目标不可达、易陷于局部最优等问题,提出了一种改进的人工势场法。在斥力势场函数中添加无人机和目标点之间的相对距离,解决目标不可达问题;采用一种球体模型策略跳出局部最优的陷阱。仿真结果表明,改进的人工势场法能够灵巧地避开所有障碍物并有效地规划出符合要求的最佳航迹。关键词:人工势场法;物流无人机;航迹规划;避障中图分类号:;文献标志
2、码:开放科学(资源服务)标识码():文 章 编 号:(),(,):(),:;收稿日期:基金项目:民航飞行技术与飞行安全重点实验室自主研究项目();大学生创新创业训练计划项目():();()引言无人机作为新技术和先进生产力的重要载体,已经成为航空新业态发展的核心驱动力。随着电商的兴起,最为突出的问题就是最后一公里难以送达或配送效率不高,因此物流无人机的应用随之涌现。利用无人机技术不仅可以提高配送效率,而且可以最大限度地减少能源消耗,达到节约能源的效果。采用无人机进行配送,这一途径受到了各大物流企业的青睐,然而仍然存在一些技术上的瓶颈,阻碍了物流无人机的进一步发展。本文主要对其中的一项难题进行了研
3、究,即物流无人机的航迹规划问题。简而言之,为了将运输物品及时、准确、安全地运送到消费者手中,规划出一条把货物从服务商的最后一站配送点送至消费者,尽可能最优、尽量避开障碍物的实际可飞的航线。孟想在传统人工势场法的斥力函数中引入旋转斥力、校正因子和安全距离,并将改进后的算法应用于动态航路规划中,有效地解决了物流无人机三维航路规划问题。徐宏飞在传统人工势场法中改进引力算法为固定值、引入调节分量,验证了面向智慧避障的物流无人机航迹规划模型、三维人工势场算法的有效性,但规划的路径不够平滑。张凌云结合量子局部搜索和反向学习策略对狮群算测控遥感与导航定位 年 无线电工程 第 卷 第 期 法进行改进,使所求的
4、物流无人机航迹合理可靠。但只考虑了物流无人机在实际可飞行环境中基础的物理量,忽略了一个关键的约束条件 货物质量约束。李志锟等将人工势场法与蚁群算法进行融合,引入目标点距离影响因子改进斥力场函数,避免移动机器人受到较大斥力而无法实现路径规划,构造势场合力衰减系数避免了融合人工势场蚁群算法陷入局部最优解,但该方法相对复杂且仅适用于二维环境中。王兵等通过引力补偿增益系数来避免引力过大的问题;对于局部极小值点问题根据环境信息采取不同的虚拟目标点来解决,提高了安全性,缩短了路径长度。但只在二维环境中进行了仿真验证,并没有扩展至三维环境中。等提出的改进人工势场算法主要思想是构建一个虚拟正六边形模型,当运动
5、目标陷入局部极小值时,利用正六边形模型引导运动目标跳出局部极小值的陷阱。虽然该方法解决了传统人工势场法局部极小值的问题,但存在路径震荡和转弯角过大的问题。本文针对传统人工势场算法目标不可达和局部极小值的缺点,设计了一种改进的人工势场算法。通过在斥力势场函数中添加无人机和目标点之间的相对距离来解决目标不可达问题。采用球体模型策略有效地改善局部极小值问题。无人机的性能约束物流无人机的货物运输需要从多方面进行考虑,本文从物流无人机性能约束和任务要求两方面着手,建立多约束条件下的物流无人机航迹规划模型。设物流无人机运输任务的区域是以长、宽、高分别为、的空间环境。最远航程约束判断航迹规划好与不好的一个重
6、要因素是规划的航迹长度,在满足各种需求的条件下规划的航迹越短越好。因此物流无人机的运输距离不得大于最远航程,(,)表示无人机在三维空间直角坐标系中第个点的位置,约束为:()()()槡,(),()式中:为无人机最远航程。最大货物质量约束物流无人机能够承载货物的质量是有限的,物流无人机的总质量由物流无人机自身质量及货物质量两部分组成。而物流无人机自身的质量是恒定不变的,所以只能对货物进行限制。上限约束为:,(),()式中:为物流无人机自身的质量,为货物的质量,为最大载货质量。飞行高度约束物流无人机在飞行的过程中受到自身性能和货物的影响,飞行高度应该限制在最低飞行高度和最高飞行高度之间。约束为:,(
7、)式中:为最低飞行高度,为最高飞行高度。俯仰角约束为了保证物流无人机运输的整体安全,物流无人机在持续飞行过程中的垂直旋转角度受到限制,不可能实现革命性的大角度旋转,约束为:()()槡,()式中:为最大俯仰角。传统人工势场法及其缺陷 传统人工势场法传统人工势场(,)法是由于年提出的一种解决路径规划的有效方法,其核心思想是构造虚拟势场,目标位置会对无人机产生引力作用,障碍物在一定范围内对无人机产生斥力作用,最终在二者的合力作用下使得无人机沿着无碰撞的轨迹运动至目标位置。无人机受力图如图所示。图无人机受力图 引力势场函数:()(,),()引力函数:()()(,),()斥力势场函数:()(,)(),(
8、,),(,),()测控遥感与导航定位 斥力函数:()()(,)()(,),(,),(,),()合力:()()(),()式中:表示目标点位置,表示障碍物位置,表示引力增益系数,表示斥力增益系数,表示点之间的距离,表示斥力作用范围,为势场的负梯度,为势场的负梯度,为无人机所受到的合力。法的缺陷 目标不可达物体在目标点附近时斥力大于引力,此时物流无人机无法到达目标点的情况称为目标不可达问题。如图所示。图目标不可达示意 局部最优当物流无人机、目标点以及障碍物在同一直线上时总会出现一点使得引力和斥力大小相等、方向相反且合力为零,此时无人机就陷入局部极小值,如图所示。为了解决该问题,本文提出基于改进人工势
9、场法的无人机三维航迹规划。图局部极小值示意 算法的改进 改进斥力函数针对目标不可达的问题,常用的方法是在斥力势场函数中添加无人机和目标点之间的相对距离。改进后的斥力势场函数:()(,)()(,),(,),(,)。()改进后的斥力函数:()()()(),(,),(,),()()(,)()(,)(,)(,),()()(,)()(,)(,),()(,)()()()。()式()中的和见式()和式()。式()为无人机和目标点之间的相对距离,可取大于零的任意常数。的方向是障碍物与无人机之间的连线并指向无人机,的方向是无人机与目标点之间的连线并指向目标点。无人机受力分析如图所示。图改进斥力后无人机受力图 随
10、着的取值发生变化,物流无人机的受力情况也随之发生变化。接下来对进行分类讨论:当为 时,(,),()(,)。()测控遥感与导航定位 年 无线电工程 第 卷 第 期 因此,当为 时,随着物流无人机和目标点之间的距离不断减小,()趋向于,()趋向于,而()的方向是物流无人机与目标点之间的连线并指向目标点。此时无人机只受到斥力分量()和引力的作用,所以物流无人机在共同力的作用下朝着目标点的方向运动。当时,(,),()(,)。()因此,当 时,随着物流无人机和目标点之间的距离不断减小,()趋向于,()趋向于(,),而()的方向是物流无人机与目标点之间的连线并指向目标点。此时无人机只受到斥力分量()和引力
11、的作用,所以物流无人机在共同力的作用下朝着目标点的方向运动。当?时,(,),()(,)。()因此,当?时,随着物流无人机和目标点之间的距离不断缩小,()趋向于,()趋向于,此时无人机只受到引力的作用不受斥力的影响,且在引力的作用下使物流无人机朝着目标点的方向运动。由此可知,无论取任何大于零的常数时,斥力分量()都趋向于,所以物流无人机在运动的过程中只受到斥力分量()和目标引力的影响。而斥力分量()以及引力的方向均是物流无人机与目标点之间的连线并指向目标点的,因此,当目标点与障碍物之间的距离较近时,物流无人机也能够在斥力分量()和引力二者合力的共同作用下安全到达目标点。球体模型策略考虑到物流无人
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