兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (9): 2685-2696.doi: 10.12382/bgxb.2022.0525
所属专题: 智能系统与装备技术
赵军民1,2, 何浩哲2,*(), 王少奇2, 聂聪2, 焦迎杰2
收稿日期:
2022-06-13
上线日期:
2022-09-27
通讯作者:
ZHAO Junmin1,2, HE Haozhe2,*(), WANG Shaoqi2, NIE Cong2, JIAO Yingjie2
Received:
2022-06-13
Online:
2022-09-27
摘要:
针对多无人机在密集障碍环境中协同执行地面目标跟踪任务时存在避障能力不足的问题,提出一种基于零空间方法的多无人机目标跟踪与避障联合航迹规划算法。利用Lyapunov导引向量场得到协同对地面目标进行Standoff跟踪时的无人机目标跟踪速度指令,构建障碍物模型和避障人工势场函数,利用人工势场方法得到无人机避障速度指令;基于零空间方法,将避障任务设定为高优先级任务,通过将目标跟踪速度指令向避障任务零空间投影后再与避障速度指令相加的联合航迹规划方法,获取综合后的无人机速度指令。通过仿真分析验证联合航迹规划方法的有效性。仿真结果表明,联合航迹规划方法能够在密集障碍物存在的复杂环境中实时规划有效航迹,保证多无人机避开密集障碍物,持续跟踪目标,并且多无人机具有良好的协同性。
中图分类号:
赵军民, 何浩哲, 王少奇, 聂聪, 焦迎杰. 复杂环境下多无人机目标跟踪与避障联合航迹规划[J]. 兵工学报, 2023, 44(9): 2685-2696.
ZHAO Junmin, HE Haozhe, WANG Shaoqi, NIE Cong, JIAO Yingjie. Joint Trajectory Planning for Multiple UAVs Target Tracking and Obstacle Avoidance in a Complicated Environment[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(9): 2685-2696.
UAV编号 | UAV1 | UAV2 | UAV3 |
---|---|---|---|
初始位置/m | (750,800) | (700,700) | (600,600) |
表1 UAV初始位置
Table 1 Initial positions of UAVs
UAV编号 | UAV1 | UAV2 | UAV3 |
---|---|---|---|
初始位置/m | (750,800) | (700,700) | (600,600) |
参数 | R/m | v0/(m·s-1) | k1 | k3 |
---|---|---|---|---|
数值 | 300 | 20 | 1/75π | 1/75π |
表2 LGVF方法各参数取值
Table 2 LGVF method parameters
参数 | R/m | v0/(m·s-1) | k1 | k3 |
---|---|---|---|---|
数值 | 300 | 20 | 1/75π | 1/75π |
障碍物编号 | 障碍物1 | 障碍物2 | 障碍物3 |
---|---|---|---|
位置/m | (330,550) | (250,270) | (50,400) |
表3 障碍物位置
Table 3 Positions of obstacles
障碍物编号 | 障碍物1 | 障碍物2 | 障碍物3 |
---|---|---|---|
位置/m | (330,550) | (250,270) | (50,400) |
时间/s | 运动形式 | 速度/ (m·s-1) | 角速度/ ((°) s-1) |
---|---|---|---|
0~260 | 沿x轴正向做匀速直线运动 | 10 | 0 |
260~280 | 沿逆时针方向做匀速转弯运动 | 10 | 4.5 |
280~330 | 沿y轴正向做匀速直线运动 | 10 | 0 |
330~350 | 沿顺时针方向做匀速转弯运动 | 10 | -4.5 |
350~800 | 沿x轴正向做匀速直线运动 | 10 | 0 |
表4 机动目标运动过程
Table 4 Motion process of a maneuvering target
时间/s | 运动形式 | 速度/ (m·s-1) | 角速度/ ((°) s-1) |
---|---|---|---|
0~260 | 沿x轴正向做匀速直线运动 | 10 | 0 |
260~280 | 沿逆时针方向做匀速转弯运动 | 10 | 4.5 |
280~330 | 沿y轴正向做匀速直线运动 | 10 | 0 |
330~350 | 沿顺时针方向做匀速转弯运动 | 10 | -4.5 |
350~800 | 沿x轴正向做匀速直线运动 | 10 | 0 |
障碍物编号 | 位置/m | rmin/m | rmax/m |
---|---|---|---|
障碍物4 | (1180,-200) | 50 | 150 |
障碍物5 | (1400,-150) | 50 | 150 |
障碍物6 | (1630,-90) | 80 | 160 |
障碍物7 | (3050, 0) | 80 | 160 |
障碍物8 | (3050, 290) | 80 | 160 |
表5 障碍物位置和参数
Table 5 Positions and parameters of other obstacles
障碍物编号 | 位置/m | rmin/m | rmax/m |
---|---|---|---|
障碍物4 | (1180,-200) | 50 | 150 |
障碍物5 | (1400,-150) | 50 | 150 |
障碍物6 | (1630,-90) | 80 | 160 |
障碍物7 | (3050, 0) | 80 | 160 |
障碍物8 | (3050, 290) | 80 | 160 |
UAV编号 | rmin/m | ||
---|---|---|---|
80 | 100 | 150 | |
UAV1 | 123.5743 | 126.6565 | 153.7342 |
UAV2 | 146.1178 | 146.6368 | 156.5215 |
UAV3 | 93.7131 | 107.9902 | 152.0367 |
表6 不同rmin下各UAV与障碍物7中心的最小距离
Table 6 Minimum distance between each UAV and the center of obstacle 7 with different radius of obstacle 7 m
UAV编号 | rmin/m | ||
---|---|---|---|
80 | 100 | 150 | |
UAV1 | 123.5743 | 126.6565 | 153.7342 |
UAV2 | 146.1178 | 146.6368 | 156.5215 |
UAV3 | 93.7131 | 107.9902 | 152.0367 |
UAV编号 | rmin/m | ||
---|---|---|---|
80 | 100 | 150 | |
UAV1 | 162.0321 | 163.5365 | 170.7342 |
UAV2 | 118.7405 | 122.8926 | 153.7433 |
UAV3 | 129.6581 | 133.1933 | 153.5743 |
表7 不同rmin下各UAV与障碍物8中心的最小距离
Table 7 Minimum distance between each UAV and the center of obstacle 8 with different radius of obstacle 8 m
UAV编号 | rmin/m | ||
---|---|---|---|
80 | 100 | 150 | |
UAV1 | 162.0321 | 163.5365 | 170.7342 |
UAV2 | 118.7405 | 122.8926 | 153.7433 |
UAV3 | 129.6581 | 133.1933 | 153.5743 |
UAV编号 | rmax/m | ||
---|---|---|---|
160 | 220 | 300 | |
UAV1 | 125.5743 | 173.6564 | 248.1498 |
UAV2 | 146.1178 | 184.1363 | 249.3040 |
UAV3 | 93.7131 | 128.3524 | 203.1966 |
表8 不同rmax下各UAV与障碍物7中心的最小距离
Table 8 Minimum distance between each UAV and the center of obstacle 7 with different APF maximum radius m
UAV编号 | rmax/m | ||
---|---|---|---|
160 | 220 | 300 | |
UAV1 | 125.5743 | 173.6564 | 248.1498 |
UAV2 | 146.1178 | 184.1363 | 249.3040 |
UAV3 | 93.7131 | 128.3524 | 203.1966 |
UAV编号 | rmax/m | ||
---|---|---|---|
160 | 220 | 300 | |
UAV1 | 162.0321 | 224.1401 | 303.2632 |
UAV2 | 118.7405 | 146.4538 | 230.6955 |
UAV3 | 129.6581 | 153.9718 | 226.0562 |
表9 不同rmax下各UAV与障碍物8中心的最小距离
Table 9 Minimum distance between each UAV and the center of obstacle 8 with different APF maximum radius m
UAV编号 | rmax/m | ||
---|---|---|---|
160 | 220 | 300 | |
UAV1 | 162.0321 | 224.1401 | 303.2632 |
UAV2 | 118.7405 | 146.4538 | 230.6955 |
UAV3 | 129.6581 | 153.9718 | 226.0562 |
UAV | 零空间方法下 与障碍物最小 距离/m | 直接相加方法下 与障碍物最小 距离/m | 扰动流场方法下 与障碍物最小 距离/m |
---|---|---|---|
UAV1 | 73.919 | 73.624 | 126.462 |
UAV2 | 108.069 | 54.895 | 86.388 |
UAV3 | 63.409 | 61.594 | 69.446 |
表10 3种方法下各UAV与障碍物中心的最小距离
Table 10 Minimum distance between each UAV and obstacles using three different methods
UAV | 零空间方法下 与障碍物最小 距离/m | 直接相加方法下 与障碍物最小 距离/m | 扰动流场方法下 与障碍物最小 距离/m |
---|---|---|---|
UAV1 | 73.919 | 73.624 | 126.462 |
UAV2 | 108.069 | 54.895 | 86.388 |
UAV3 | 63.409 | 61.594 | 69.446 |
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