無人直升機(jī)三維避障方法及仿真

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1、2016年8月第42卷第8期北京航空航天大學(xué)學(xué)報JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsAugust2016V01．42No．8http：ffbhxb．buaa．edu．enjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0499無人直升機(jī)三維避障方法及仿真蒙志君4，平學(xué)壽，陳旭智(北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083)摘要：自主避障是無人直升機(jī)(UH)在復(fù)雜未知環(huán)境中執(zhí)行

2、飛行任務(wù)所必須的能力。針對未知環(huán)境下UH避障飛行問題，提出了一種新的三維實(shí)時避障方法，通過將三維激光雷達(dá)探測視野劃分成若干不同半徑的扇形柱區(qū)和等角度分布的直方柱區(qū)，結(jié)合雷達(dá)探測數(shù)據(jù)判斷障礙物分布情況，UH根據(jù)避障方法執(zhí)行相應(yīng)的規(guī)避動作來實(shí)現(xiàn)避障飛行。同時提出一種基于CATIA三維建模軟件二次開發(fā)的三維仿真方法，該方法可以對未知的飛行環(huán)境進(jìn)行三維建模，結(jié)合避障方法實(shí)現(xiàn)UH在其中的真實(shí)避障飛行模擬，并利用該仿真方法驗(yàn)證了三維避障方法的可行性。關(guān)鍵詞：無人直升機(jī)；三維避障；三維仿真；避障仿真；CATIA二次開發(fā)中

3、圖分類號：V212．4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001．5965(2016)08．1619-08無人直升機(jī)(UH)具有垂直起降、懸停等優(yōu)勢，使其可以在低空復(fù)雜環(huán)境中執(zhí)行特殊的任務(wù)，如偵查監(jiān)控、搶險救災(zāi)及電路巡線等。但低空飛行環(huán)境的不確定性會對無人直升機(jī)產(chǎn)生致命威脅。因此，除了全局路徑規(guī)劃外，無人直升機(jī)實(shí)現(xiàn)全自主飛行還需要通過自主避障的方式來規(guī)避未知環(huán)境中的障礙物以更好地執(zhí)行飛行任務(wù)¨‘3J。自主避障方法種類很多，主要有人工勢場法(artificialpotentialfield)¨。1、矢量場矩形法(vec

4、．torfieldhistogram)¨?、模糊邏輯避障方法(fuzzyobstacleavoidance)一。叫及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(artifi—cialneuralnetwork)?。糾等。但這些方法都存在各自的缺陷而不適合用于無人直升機(jī)的三維避障，如人工勢場法容易產(chǎn)生局部極值點(diǎn)即存在陷阱區(qū)域，而且對于不規(guī)則障礙物計(jì)算量會很大；矢量場矩形法在凹型障礙物容易被困，其根據(jù)傳感器對障礙物的不完全探測來擴(kuò)大障礙物輪廓并不可取，會導(dǎo)致障礙物外形失真影響避障效果；模糊邏輯避障方法則會因?yàn)橐?guī)則庫的豐富而計(jì)算量成幾何級數(shù)

5、急劇上升，無人直升機(jī)三維自主避障需要較多的模糊規(guī)則，因此該方法難以付諸實(shí)施；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法則收斂速度慢，對計(jì)算機(jī)的要求較高，且無法較好地表達(dá)知識和運(yùn)用已有經(jīng)驗(yàn)。本文開展無人直升機(jī)的三維自主避障方法的研究，提出一種新的三維避障方法，該方法基于激光雷達(dá)獲取的障礙物信息實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)在未知環(huán)境下的自主避障飛行，具有可規(guī)避復(fù)雜障礙物、可通過狹窄通道和不易出現(xiàn)擺動等優(yōu)點(diǎn)，且對計(jì)算機(jī)要求較低，避障效果好。并提出一種新的基于三維建模軟件CATIA二次開發(fā)的三維避障仿真平臺，平臺融合三維避障方法來模擬仿真無人直升機(jī)的真實(shí)避

6、障飛行過程，同時用來檢驗(yàn)并優(yōu)化自主避障方法性能。收稿日期：2015-07-28；錄用日期：2015-09—18；網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015．11．1910：19網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20151119．1019．006．html$通訊作者：Tel．：010—82317557E—mail：mengzhijun@buaa．edu．cnBl用格式：蒙志君．平學(xué)壽，陳旭智．無人直升機(jī)三維避障方法及仿真【11．北京航空航天大學(xué)學(xué)報．2016．42(8)：1619

7、．1626．MENGZJ，PINGxS，CHENXZ．3Dobstacleavoidancemethodandsimulationforunmannedhelicopter[Jj．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42f8)：1619-1626(inChinese)．第8期蒙志君，等：無人直升機(jī)三維避障方法及仿真1621·u標(biāo)甜=vtan[5(6一i)](1)≮疊≤＼盧，，盧2一軸線與障礙物兩側(cè)邊沿的角度；70一軸線與目標(biāo)

8、夾角；y，，y2一理想航向與障礙物兩側(cè)邊沿的角度；a—盧2的余角。圖4狀態(tài)2避障示意圖Fig．4Schematicdiagramofobstacleavoidanceforstate23)，則判斷，、肘扇區(qū)(不區(qū)分優(yōu)先順序)內(nèi)其他直方區(qū)的障礙物分布情況，將航向朝最靠近目標(biāo)方向的無障礙物的直方區(qū)方向調(diào)整，如果F、M扇區(qū)所有直方區(qū)均有障礙物，則沿當(dāng)前航向直飛。若C區(qū)有障礙物(狀態(tài)4)，則判斷F、M以及Ⅳ扇區(qū)內(nèi)其他直方