一种无人机集群编队避障方法、装置、设备及存储介质与流程

本发明涉及无人机避障，特别是涉及一种基于自适应人工势场模型的无人机集群编队避障方法、装置、设备及存储介质。

背景技术：

1、无人机集群是由多架具有一定自主决策能力的无人机组成的多智能体系统。无人机集群具备的协同性、智能性、自主性、抗损耗性、载荷多样性等优势使其在民用和军事领域有着巨大的发展潜力。与单个无人机相比，无人机集群编队具有整体飞行阻力小，任务执行成功率高等诸多优势。无人机集群编队飞行过程中可能遇到各类障碍物，有效规避障碍的同时保持集群队形的稳定是其成功执行任务的必要条件。

2、现有的无人机集群编队控制结构主要有完全集中式、无中心分布式及有限集中分布式3种。无人机集群编队控制方法主要有领导-跟随法、虚拟结构法以及行为控制法。领导跟随法中，领导者根据预设的轨迹飞行，追随者跟随领导者飞行并和领导者保持特定的几何距离。虚拟结构法中，集群把队形结构看作一个刚体，刚体中存在一个虚拟中心点作为集群的领导者，各无人机通过和虚拟中心保持特定的几何位置关系来形成和保持期望队形。行为控制法是一种通过个体无人机遵循相对简单的规则来实现整体集群行为的分布式控制方法，该方法将无人机集群编队控制过程划分为若干基本控制行为，从而实现各无人机之间合作或竞争关系。基于一致性理论的无人机集群编队控制方法则通过选择合适的能够达成一致的状态变量实现集群的队形形成与变换。

3、无人机集群编队避障需同时考虑外部障碍和机间碰撞,通过改变编队内各个无人机运行状态规划出避免冲突的理想轨迹，保证编队内所有无人机与障碍物保持一定的安全距离。无人机避障本质可以看作是一个求解序贯决策的问题。现有文献的编队避障方法主要有基于优化算法、基于势场与导航函数两类。基于优化算法的避障方法将避障问题转化为最优控制问题,编队中的无人机在满足耗油代价、航程代价、威胁代价的约束条件下,使得某一性能指标达到最优。基于势场与导航函数的避障方法主要包括人工势场法和速度障碍法，其中人工势场法应用较为广泛,该方法将复杂环境空间人为地赋予为势场空间,无人机集群编队在排斥势场和吸引势场共同作用下规避障碍物，飞行至目标点。

4、人工势场法是无人机集群避障常用的方法，通过人为构造适当的势场函数，使得在该势场函数下仅在集群运动目标点处取得最小值，势场函数控制无人机的运动方向，实现避障。如图7所示，无人机将沿着引力与斥力的合力方向移动，成功避开障碍物，最终到达目标点。人工势场法的优势在于实时控制能力强、运算方式简单、规划后路径具有较好的平滑度和可靠性等。

5、然而，传统人工势场法的缺点包括：

6、可能存在目标不可达、局部极小值及固定队形的无人机集群飞行不能完全躲避危险区域的问题。目标不可达和局部极小值问题，是由于某些特殊情形下，选取的势场函数取得局部极小值，导致无人机在局部极小值附近震荡。

7、另外，传统的人工势场法仅针对单架无人机进行避障，一般只能保证单个无人机顺利到达目的地。但对于无人机集群编队来说，传统的人工势场法不能保证所有无人机顺利的躲开危险区到达目的地。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种无人机集群编队避障方法、装置、设备及存储介质。

2、本发明提供了如下方案：

3、一种无人机集群编队避障方法，包括：

4、获取当前时刻目标无人机的当前坐标以及运动目标点坐标，所述目标无人机为无人机集群中的任意一架；

5、利用所述当前坐标以及所述运动目标点坐标结合确定的引力系数计算获得目标引力；

6、分别利用改进的势场函数计算获得若干第一斥力以及若干第二斥力，所述第一斥力为所述目标无人机与所述无人机集群内每架无人机的斥力，所述第二斥力为所述目标无人机与每个障碍物的斥力；所述改进的势场函数包括所述当前坐标与所述运动目标点坐标或障碍物边缘间距离的影响因子；将若干所述第一斥力求和获得所述目标无人机受到其余所有无人机产生的第一总斥力，将若干所述第二斥力求和获得所述目标无人机受到所有障碍物产生的第二总斥力；将所述第一总斥力与所述第二总斥力求和获得目标斥力；

7、根据所述目标无人机当前运动状态结合自适应修改斥力系数方法获得最优化斥力系数；

8、利用所述目标引力、所述目标斥力以及所述最优化斥力系数求解获得目标方向向量，所述目标方向向量用于作为下一时刻所述目标无人机的运动方向；

9、结合所述目标方向向量计算获得所述目标无人机下一时刻的位置。

10、优选地：用于计算所述第一斥力的改进的势场函数由下式表示：

11、

12、式中：drep1(i,j)为编号为i的无人机与编号为j的无人机之间的斥力，x(i，t)＝(xi(t),yi(t),zi(t))为t时刻编号为i的无人机位置坐标，juli_goal(i)是编号为i的无人机的当前坐标与运动目标点坐标间距离，ρo是相对安全距离，j＝1,2,3,i-1,i+1,...,n，x(j)是编号为j的无人机位置坐标，d(i,j)是编号为i的无人机和编号为j的无人机之间的距离。

13、优选地：用于计算所述第二斥力的改进的势场函数由下式表示：

14、

15、式中：drep2(i,m)为编号为i的无人机与第m个障碍物之间的斥力，d(1,m)是领航无人机和第m个障碍物边缘的距离，m＝1,2,...,num_obs(1)，num_obs(1)是可以影响到领航无人机的障碍物个数，obs(m)是障碍物的中心坐标。

16、优选地：所述目标无人机为领航无人机，所述运动目标点坐标为集群编队目标点坐标；所述无人机为跟随无人机，所述运动目标点坐标通过下式计算获得：

17、goal(i,t)＝x(1，t+1)+mi

18、式中：x(1，t+1)为领航无人机t+1的位置，mi为期望的编队队形矩阵。

19、优选地：所述自适应修改斥力系数方法包括：

20、求向量temp＝(goal(i，t)-x(i,t))/norm(goal(i，t)-x(i,t))+λ*f(i)/norm(f(i))；

21、式中：norm(·)为向量·的模；

22、求偏移向量

23、式中：v(i,t),a(i,t)分别为编号为i的无人机当前速度和加速度，δt为时间间隔；

24、求向量ob(i_obs)＝[obs(i_obs,1),obs(i_obs,2),oh(i,3)]；

25、式中：obs(i_obs,1)、obs(i_obs,2)分别为第i_obs个障碍物中心的横坐标、纵坐标，oh(i,3)为偏移向量oh(i)的高度坐标；

26、求向量hb(i_obs)＝oh(i)-ob(i_obs)，对于每个编号为i_obs,i_obs＝1,2,...,m的障碍物，其中m为障碍物的个数,若向量hb(i_obs)的模小于其半径，则λ＝λ*2，斥力系数k_pot(i)＝λ*norm(goal-x(i,t))。

27、优选地：所述目标方向向量由下式表示：

28、d(i)＝datt(i)+k_pot(i)*(drep1(i)+drep2(i))

29、式中：datt(i)为编号为i的无人机所受到的目标引力，drep1(i)编号为i的无人机受到所有无人机的斥力，drep2(i)编号为i的无人机受到所有障碍物的斥力。

30、优选地：所述目标无人机下一时刻的位置由下式表示：

31、

32、一种无人机集群编队避障装置，包括：

33、坐标获取单元，用于获取当前时刻目标无人机的当前坐标以及运动目标点坐标，所述目标无人机为无人机集群中的任意一架；

34、目标引力计算单元，用于利用所述当前坐标以及所述运动目标点坐标结合确定的引力系数计算获得目标引力；

35、目标斥力计算单元，用于分别利用改进的势场函数计算获得若干第一斥力以及若干第二斥力，所述第一斥力为所述目标无人机与所述无人机集群内每架无人机的斥力，所述第二斥力为所述目标无人机与每个障碍物的斥力；所述改进的势场函数包括所述当前坐标与所述运动目标点坐标或障碍物边缘间距离的影响因子；将若干所述第一斥力求和获得所述目标无人机受到其余所有无人机产生的第一总斥力，将若干所述第二斥力求和获得所述目标无人机受到所有障碍物产生的第二总斥力；将所述第一总斥力与所述第二总斥力求和获得目标斥力；

36、斥力系数计算单元，用于根据所述目标无人机当前运动状态结合自适应修改斥力系数方法获得最优化斥力系数；

37、方向向量获取单元，用于利用所述目标引力、所述目标斥力以及所述最优化斥力系数求解获得目标方向向量，所述目标方向向量用于作为下一时刻所述目标无人机的运动方向；

38、位置计算单元，用于结合所述目标方向向量计算获得所述目标无人机下一时刻的位置。

39、一种无人机集群编队避障设备，所述设备包括处理器以及存储器：

40、所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；

41、所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行上述的无人机集群编队避障方法。

42、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行上述的无人机集群编队避障方法。

43、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

44、本技术实施例提供的一种无人机集群编队避障方法、装置、设备及存储介质，，采用新的势场函数得到新的人工势场模型，在该模型中，斥力场势场函数中增加了当前位置距离最终目标的距离的影响因子，修改后的势场函数除了目标点外不存在合力为0的点，不会出现不可达和局部最小值的情形。斥力系数和引力系数依据经验决定。若斥力系数较小，则无人机距离障碍物较近，有撞击障碍物的风险。若斥力系数较大，则增加无人机的飞行距离，造成能源的浪费。因此该方法采用自适应修改斥力系数的方法，能够根据无人机当前运动状态，优化斥力系数，在保证安全飞行的条件下无人机的飞行距离最小。

45、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。