基于MPC 方法無人機避障路徑規劃研究*

李繼廣，董彥非，劉天棟，樊佳樂

（西安航空學院飛行器學院，西安 710077）

0 引言

隨著技術的成熟，無人機成為各領域常用的設備之一［1-2］。隨著任務的不斷擴展，無人機的使用環境也越來越復雜，面臨的威脅也越來越多［3-4］。在工程上，無人機依靠起飛前規劃好的航路飛行，缺少機上飛行員對突發威脅進行處理［5］。面對復雜的、不可預知的飛行環境，有效的自主障礙規避能力對提高飛行安全十分必要。

面對未知的突發威脅，國內外進行了大量的研究，如勢場法［6-8］、幾何法［9-11］等。然而，這些方法均為集中式算法，適用于固定障礙物，對分布式或動態障礙物缺乏應對能力［12］。同時對于無人機的動力學約束問題這些算法也無能為力。

模型預測控制（MPC）方法可充分考慮各種變量的約束，基于滾動優化思想獲得的控制輸入具有實時分布式控制的優點，因此，該方法在無人機避碰問題中得到廣泛應用［13-14］。文獻［15］提出了一種非線性MPC 方法來解決無人機間的碰撞問題。針對無人機飛行過程中避障問題，文獻［16］提出了一種基于模型預測控制的無人機避障路徑規劃方法。文獻［17］提出了一種NMPC 算法用于解決碰撞規避問題。但是，這些MPC 的策略設計較簡單，規避障礙指標較單一，在工程應用上存在諸多實際問題。

針對無人機飛行過程中機動障礙物的避障問題，本文提出了一種MPC 避障路徑規劃方法，構造基于狀態空間的障礙物預測模型、一階指數變化和動態避障的參考軌跡生成方法，并提出了能力-時間組合最優為目標的滾動優化模型，從而達到在運動障礙物作用下，無人機運動軌跡安全、平滑的動態規劃。……