多個無人飛行器協同避障及避碰研究

楊秀霞，華 偉，孟啟源

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

【信息科學與控制工程】

多個無人飛行器協同避障及避碰研究

楊秀霞a，華 偉b，孟啟源b

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

在多個無人飛行器(UAV)進行避障時，各個UAV通常將其他UAV當作移動障礙物進行處理，忽略了其他UAV也會根據自身傳感器獲知的周圍環境信息做出相應的避障機動，規劃出的UAV避障路徑不可避免出現震顫，針對這一問題，提出了一種基于互惠速度障礙法的避障算法。避障時，不需UAV之間進行通信，每個UAV獨立進行同樣的避障決策，計算量少，實時性好，能夠滿足多UAV在線避障的要求。仿真結果驗證了本方法的可行性和有效性。

多UAV；協同避碰；互惠速度障礙法；在線避障

近年來，隨著無人飛行器(UAV)技術的快速發展，無論是在軍事領域還是民用領域，UAV都得到了廣泛應用[1-2]；但日益復雜的作戰環境使UAV的作戰應用面臨嚴峻的挑戰。對于UAV而言，如何避免與障礙物或其他UAV發生碰撞已成為亟待解決的關鍵問題[3]。針對避障問題，許多學者進行了相關研究，文獻[4]將人工勢場法加以改進用于避障，文獻[5-6]中將比例導引法用于UAV在線避障，但是都沒有考慮其他UAV也會根據探測到的周圍環境信息做出相應的避障機動。本文在文獻[7]提出的速度障礙法的基礎上，提出了互惠速度障礙法，該方法在確保UAV避免發生碰撞的同時，有效避免了避障路徑存在顫振，對于UAV的實際應用具有參考意義。

1 問題描述

假設兩個UAV都向著自己的目標迎面而行，它們的速度都位于各自的速度障礙錐內[7]，為了避免發生碰撞，它們會選擇位于速度障礙錐之外的速度進行回避。一段時間之后，它們的速度都將處于各自的速度障礙錐之外。這時，為了盡快地到達目的地，它們又會選擇原來的速度，如此反復。最終它們的軌跡發生震顫。這種震顫不僅不自然，而且由于速度來回變化，也會給UAV的控制系統帶來額外負擔，降低系統的穩定性和可靠性。

圖1 UAV避碰過程示意圖

產生這種問題的根源是，某一個UAV在進行避障機動時，都假定其他UAV不會采取避碰機動，只是以原固定速度朝著各自的目標點前進，而自己承擔全部的避障任務，這就造成了各UAV在避障過程中會發生震顫。

2 問題分析與建模

圖2 UAV運動示意圖

假設UAV在二維平面內運動，那么UAV的運動學模型為

(1)

其中，x,y,vu,σu分別為UAV在二維平面內的橫縱坐標，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UAV與障礙物逐漸靠近時，λRVO變大，反之減小，當λRVO等于π時，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)

根據向量間的運算關系可知

(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。

穩定性證明：

則

sign(σRVO-σu)·min(amax,σRVO-σu)

4 仿真分析與結論

假設多個UAV在二維平面內運動，其速率大小保持不變為1 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初始狀態與目標位置

圖5 多UAV協同避碰動態過程示意圖

圖6 基于VO的各UAV運動路徑

圖7 基于VO的各UAV方向角變化示意圖

圖8 基于RVO的各UAV運動路徑

圖9 基于RVO的各UAV方向角變化示意圖

通過對比圖6和圖8可以發現，速度障礙法和互惠速度障礙法均可以實現多UAV之間的避碰，但是對比圖7和圖9各UAV運動過程中速度方向角的變化可以發現，由于采用速度障礙法，每個UAV承擔全部的避障任務，導致其速度方向角存在震顫，而運用互惠速度障礙法進行避障時有效避免了這種震顫，規劃出的避障路徑更加平滑，減小了UAV飛控系統的負擔，有利于提高UAV飛行過程的安全性和穩定性。

[1] 張厚道.基于數字地圖的無人戰斗機低空突防軌跡規劃方法研究[D].西安：西北工業大學,2004:1.3.

[2] 周潔萍,龔建華,王濤,等.汶川地震災區無人機遙感影像獲取與可視化管理系統研究[J].遙感學報,2008,12(6):877-884.

[3] 趙瑩,朱愛平,阿雯.下一代無人機研發中的關鍵技術[J].飛航導彈,2008(10):9-12.

[4] 張兆寧，趙召娜.基于改進人工勢場法的多機動態改航路徑規劃[J].武漢理工大學學報,2015 (2)：44-49.

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

[6] HAN S C,BANG H.Proportional navigation based optimal collision avoidance for UAVs[C]//2nd International Conference on Autonomous Robots and Agents.[S.l.]:[s.n.],2004.

[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

航空科學基金資助項目(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研究；華偉(1992—)，男，碩士研究生，主要從事飛行器導航制導與控制研究。

10.11809/scbgxb2017.10.023

本文引用格式：楊秀霞,華偉，孟啟源.多個無人飛行器協同避障及避碰研究[J].兵器裝備工程學報，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

(責任編輯楊繼森)