兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (8): 2761-2773.doi: 10.12382/bgxb.2023.0611
收稿日期:
2023-06-26
上线日期:
2024-01-19
通讯作者:
基金资助:
WANG Dongzhen1,*(), ZHANG Yue1, ZHAO Yu1, HUANG Daqing2
Received:
2023-06-26
Online:
2024-01-19
摘要:
针对多障碍物环境下考虑无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)始末位姿、转弯半径和航迹长度的1阶光滑约束的UAV航迹规划问题,提出一种基于快速搜索随机树(Rapidly-exploring Random Trees,RRT)算法和Dubins曲线以局部最优逼近全局最优的UAV航迹优化方法。利用RRT算法和基于贪心算法的剪枝优化方法,在二维任务空间中规划出满足避障要求的可行离散航路点。采用多条Dubins曲线平滑连接航路点,根据UAV始末位姿确定首尾曲线端点,基于UAV性能、障碍物和飞行参数的约束关系,建立多约束的航迹优化数学模型。通过粒子群优化算法确定曲线类型,同时优化曲线连接处位姿和曲线半径,获得最短航迹。仿真结果表明:所提方法得到的航迹与其他方法相比,在不同障碍物数量和始末位姿的多种场景中,平均长度缩短了11.48%,在避开障碍物的同时,满足UAV动力学约束。
中图分类号:
王东振, 张岳, 赵宇, 黄大庆. 基于RRT-Dubins的无人机航迹优化方法[J]. 兵工学报, 2024, 45(8): 2761-2773.
WANG Dongzhen, ZHANG Yue, ZHAO Yu, HUANG Daqing. A UAV Trajectory Optimization Method Based on RRT-Dubins[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(8): 2761-2773.
障碍物类型 | 编号 | 圆心坐标 | 半径 |
---|---|---|---|
风暴 | 1 | (744,634) | 77 |
2 | (807,909) | 73 | |
高炮 | 1 | (129,223) | 76 |
2 | (464,877) | 75 | |
雷达 | 1 | (332,267) | 75 |
1 | (240,711) | 75 | |
2 | (715,298) | 70 | |
山丘 | 3 | (460,512) | 74 |
4 | (840,140) | 78 | |
5 | (471,102) | 75 |
表1 任务空间模型障碍物参数
Table 1 Task space model parameters
障碍物类型 | 编号 | 圆心坐标 | 半径 |
---|---|---|---|
风暴 | 1 | (744,634) | 77 |
2 | (807,909) | 73 | |
高炮 | 1 | (129,223) | 76 |
2 | (464,877) | 75 | |
雷达 | 1 | (332,267) | 75 |
1 | (240,711) | 75 | |
2 | (715,298) | 70 | |
山丘 | 3 | (460,512) | 74 |
4 | (840,140) | 78 | |
5 | (471,102) | 75 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
Ng | 50 | c1、c2 | 2 |
κ | 100 | ω | 0.8 |
表2 PSO算法的各项初始参数
Table 2 Initial parameters of PSO algorithm
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
Ng | 50 | c1、c2 | 2 |
κ | 100 | ω | 0.8 |
起始位姿 | 目标位姿 | 障碍物 数量 | dmin | ||
---|---|---|---|---|---|
15 | 10 | 5 | |||
(50,50, 0.52π rad) | (950,500, 1.7π rad) | 5 | 1042 | 1026 | 1007 |
(50,50, 1.75π rad) | (600,900, 0.3π rad) | 5 | 1125 | 1123 | 1006 |
(100,50, 0.23π rad) | (900,900, 1.6π rad) | 10 | 1164 | 1107 | 1059 |
(50,50, 0.3π rad) | (950,50, 0.5π rad) | 10 | 1359 | 1352 | 1348 |
(200,20, 1.75π rad) | (950,50, 0.25π rad) | 15 | 1767 | 1752 | 1722 |
(20,500, 1.5π rad) | (980,500, 1.33π rad) | 15 | 1015 | 1011 | 1009 |
表3 不同安全距离下航迹长度对比
Table 3 Comparison of trajectory lengths at different safety distances
起始位姿 | 目标位姿 | 障碍物 数量 | dmin | ||
---|---|---|---|---|---|
15 | 10 | 5 | |||
(50,50, 0.52π rad) | (950,500, 1.7π rad) | 5 | 1042 | 1026 | 1007 |
(50,50, 1.75π rad) | (600,900, 0.3π rad) | 5 | 1125 | 1123 | 1006 |
(100,50, 0.23π rad) | (900,900, 1.6π rad) | 10 | 1164 | 1107 | 1059 |
(50,50, 0.3π rad) | (950,50, 0.5π rad) | 10 | 1359 | 1352 | 1348 |
(200,20, 1.75π rad) | (950,50, 0.25π rad) | 15 | 1767 | 1752 | 1722 |
(20,500, 1.5π rad) | (980,500, 1.33π rad) | 15 | 1015 | 1011 | 1009 |
起始位姿 | 目标位姿 | 障碍物 数量 | 航迹长度 | ||
---|---|---|---|---|---|
Dubins 曲线 方法 | B样条 曲线 方法 | 文献[21] 方法 | |||
(50,50, 0.34π rad) | (950,950, 2π rad) | 5 | 1234 | 1388 | 1403 |
50,50, 1.75π rad) | (500,950, 0.3π rad) | 5 | 967 | 1066 | 1102 |
(50,50, 0.67π rad) | (950,950, 0.25π rad) | 10 | 1355 | 1497 | 1509 |
(50,50, 0.7π rad) | (950,700, 1.5π rad) | 10 | 1244 | 1403 | 1438 |
(500,20, 2π rad) | (950,950, 0.25π rad) | 15 | 1046 | 1203 | 1235 |
(50,50, 2π rad) | (950,950, 0.8π rad) | 15 | 1375 | 1524 | 1566 |
表5 3种平滑方法10次仿真平均长度对比
Table 5 Comparison of the trajectory lengths obtained by 3 smoothing methods in 10 simulations
起始位姿 | 目标位姿 | 障碍物 数量 | 航迹长度 | ||
---|---|---|---|---|---|
Dubins 曲线 方法 | B样条 曲线 方法 | 文献[21] 方法 | |||
(50,50, 0.34π rad) | (950,950, 2π rad) | 5 | 1234 | 1388 | 1403 |
50,50, 1.75π rad) | (500,950, 0.3π rad) | 5 | 967 | 1066 | 1102 |
(50,50, 0.67π rad) | (950,950, 0.25π rad) | 10 | 1355 | 1497 | 1509 |
(50,50, 0.7π rad) | (950,700, 1.5π rad) | 10 | 1244 | 1403 | 1438 |
(500,20, 2π rad) | (950,950, 0.25π rad) | 15 | 1046 | 1203 | 1235 |
(50,50, 2π rad) | (950,950, 0.8π rad) | 15 | 1375 | 1524 | 1566 |
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