无人飞行器在线避障技术

由于无人飞行器(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)具有环境适应性强、不受飞行员过载约束、能够全天候执行任务等优点，无论是在未来战场还是在民用领域，其应用范围都将越来越广泛。

随着军用、民用以及商用无人飞行器数量的不断增加，UAV所要面对的飞行环境变得日益复杂，其在飞行过程中的安全性问题也得到了越来越多的关注，因此如何顺利躲避各种障碍物已成为亟待解决的关键问题。若缺乏相应的控制手段，UAV系统整体效能将会受到影响，更甚者，会由于多UAV间在时空资源、任务层面上的相互矛盾而发生冲突，甚至碰撞的危险，终导致既定任务的失败。

随着UAV的飞行安全问题得到越来越多的关注，感知和规避作为UAV系统中的基本问题，直接关系到UAV飞行平台的安全和智能化水平，也是UAV更为广泛应用的主要挑战之一。为了保证UAV在执行任务过程中的安全，提高其作战效能，需要为UAV配备高性能的自主检测和避障系统，而威胁判断和碰撞规避算法又是该系统的核心，因此本书针对复杂动态环境下的UAV在线避障及导引问题进行了研究。

本书主要内容如下:

首先提出一种速度障碍圆弧法，通过障碍圆弧参数量化威胁障碍物的影响，确定UAV对威胁障碍物避障的速度矢量方向。

考虑到复杂环境中动态不确定性，建立了动态不确定速度障碍模型，设计了相应的自主避障算法。

针对UAV的空间避障，提出一种空间速度障碍球冠法，给出相应的保角映射分析法，可确定小避障速度矢量偏转角，并简化了计算；另外，还建立了三维动态不确定速度障碍模型，提出了动态不确定空间速度障碍球冠法。

本书给出了基于比例导引律的避障方法。借助比例导引律的思想，通过将无人飞行器与动态障碍物的相对速度方向导引到避障向量方向，从而完成避障。

为了使避开动态障碍物后路径偏离原路径角度小，书中提出了基于线性导引律的避障方法。

考虑到无人飞行器同时避开多障碍物及多无人飞行器间避碰等复杂情况，基于线性导引避障方法对该问题进行了研究。

考虑到无人飞行器在避开动态障碍物过程中各种干扰对避障效果的不利影响及避障完成时间约束等因素，提出了基于Terminal滑模控制的无人飞行器避障方法。

本书是作者所在的研究小组多年从事无人飞行器智能控制及导引的研究的成果，该研究小组在无人飞行器导航、制导及控制方面,做了卓有成效的工作。感谢海军航空大学的领导和同事们对本项目的关心、指导与帮助，感谢华伟、孟启源、罗超、曹、方国伟、严瑄等对本书的贡献,感谢为本书的出版做出贡献的人们。

复杂动态环境下无人飞行器在线避障的研究，是一个不断发展的重要研究方向。本书对无人飞行器系统的研究主要专注于对其自主避障及导引的研究，以实现动态在线自主避障，而作为全面、实用的系统，还有很多工作要做。希望更多的读者关注这个具有挑战性的研究领域，使相关问题得到进一步研究和解决。限于作者的学识水平，本书一定还存在不少缺点和错漏，恳请读者不吝指教。

本书主要阐述了无人飞行器飞行时的在线避障技术，包括采用速度障碍圆弧法、空间速度障 碍球冠法、比例导引律、线性导引律，以及基于Terminal滑模控制的导引方法等，以实现能够基于导引及路径重规划的在线避障。

本书可为无人飞行器自主协同控制、导引及指挥等相关专业的科技工作者提供重要的理论和实际参考，也可作为高等院校相关专业的高年级本科生、研究生和教师的教学参考用书。

第1章 绪 论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 UAV 避障规划面临的问题和挑战 1
1.3 国内外研究现状 2
1.3.1 经典全局路径避障规划算法 3
1.3.2 局部路径避障规划算法 5
1.4 本书主要研究内容及章节安排 7
第2章 基于速度障碍圆弧法的二维UAV 自主避障算法 9
2.1 概 述 9
2.2 碰撞锥和速度障碍的定义 9
2.2.1 碰撞锥的定义 9
2.2.2 速度障碍的定义 11
2.3 速度障碍圆弧法 12
2.4 速度障碍圆弧的参数求解 14
2.4.1 速度障碍圆弧的参数计算 14
2.4.2 速度障碍锥正负性及左右移情况分析 17
2.5 基于速度障碍圆弧法的避障算法 20
2.5.1 单个威胁障碍物的避障 20
2.5.2 多威胁障碍物的避障 21
2.6 已知障碍物的分级讨论及其避障分析 22
2.7 基于速度障碍圆弧法的UAV 自主避障算法应用验证 24
2.7.1 避障曲线路径规划 24
2.7.2 避障点处位姿信息求解 26
2.7.3 仿真验证及分析 26
第3章 一种动态不确定环境下二维UAV 自主避障算法 31
3.1 概 述 31
3.2 动态不确定速度障碍模型的建立 31
3.2.1 动态不确定性表示 31
3.2.2 动态不确定速度障碍模型的建立 33
3.3 动态不确定环境下的UAV 自主避障算法 36
3.3.1 基于DVOM 的动态不确定速度障碍圆弧法 36
3.3.2 动态不确定速度障碍圆弧临界状态情况分析 38
3.3.3 动态不确定环境下的UAV 自主避障算法 40
3.4 基于PH 螺线的避障重规划路径修正方法 42
3.4.1 五次PH 螺线的构造 42
3.4.2 重规划路径侵犯安全圆问题及解决方案 43
3.4.3 基于PH 螺线的避障路径修正 44
3.5 UAV 自主避障算法的仿真验证 45
3.5.1 仿真初始条件的求解 45
3.5.2 仿真结果及分析 46
第4章 一种基于障碍球冠的三维UAV 自主避障算法研究 51
4.1 概 述 51
4.2 三维空间碰撞锥和三维空间速度障碍的定义 51
4.2.1 三维空间碰撞锥的定义 51
4.2.2 三维空间速度障碍的定义 53
4.3 空间速度障碍球冠分析法 54
4.3.1 空间障碍球冠的定义及其参数求解 54
4.3.2 空间速度障碍球冠的保角映射分析 57
4.4 基于空间障碍球冠的三维UAV 自主避障算法 61
4.4.1 单威胁障碍物的避碰分析 61
4.4.2 多威胁障碍物的避碰分析 62
4.5 基于空间障碍球冠的三维UAV 自主避障算法应用验证 63
4.5.1 三维避障曲线路径规划 63
4.5.2 避障点处位姿信息求解 64
4.5.3 仿真验证及分析 65
第5章 一种三维空间动态不确定UAV 自主避障算法研究 68
5.1 概 述 68
5.2 三维空间动态不确定速度障碍模型的建立 68
5.2.1 三维空间动态不确定性的表示 68
5.2.2 三维空间动态不确定速度障碍模型的建立 70
5.3 动态不确定环境下三维空间UAV 自主避障算法 73
5.3.1 基于3 DDVOM 的动态不确定空间速度障碍球冠法 73
5.3.2 不确定空间速度障碍球冠保角映射分析法 77
5.3.3 基于不确定空间速度障碍球冠保角映射分析法的UAV 避障78
5.4 复杂动态环境下已知障碍物的分级讨论及其避障分析 79
5.4.1 已知障碍物的分级讨论 79
5.4.2 障碍物的避障分析 80
5.5 仿真验证及分析 82
5.5.1 动态不确定UAV 自主避障算法仿真验证 82
5.5.2 考虑“潜在”威胁障碍物避障影响的仿真验证 83
第6章 基于比例导引律的UAV 避障飞行导引 85
6.1 概 述 85
6.2 导引规律 85
6.2.1 经典导引律 85
6.2.2 现代导引律 88
6.2.3 新型导引律 89
6.3 基于比例导引律的UAV 在线避障 90
6.3.1 避障方法 91
6.3.2 仿真分析 94
第7章 基于线性导引律的UAV 避障研究 97
7.1 概 述 97
7.2 碰撞判断及运动学方程建立 97
7.2.1 碰撞判断 97
7.2.2 运动学方程建立 98
7.3 基于线性导引律的避障策略 100
7.3.1 线性导引律设计 100
7.3.2 稳定性证明 102
7.3.3 UAV 速度求解 103
7.3.4 仿真分析 103
7.4 三维避障研究 106
7.4.1 平面分解 106
7.4.2 几何关系及运动学方程 108
7.4.3 三维避障线性导引律设计 110
7.4.4 仿真分析 110
第8章 基于线性导引律的多障碍物避障及多UAV 避碰研究 117
8.1 概 述 117
8.2 UAV 避开多障碍物研究 117
8.2.1 威胁判断 117
8.2.2 避障策略描述 118
8.2.3 避障算法设计 119
8.2.4 仿真分析 122
8.3 多UAV 间避碰研究 125
8.3.1 威胁判断 125
8.3.2 避碰策略描述 126
8.3.3 避碰算法设计 127
8.3.4 仿真分析 131
第9章 基于Terminal滑模控制的UAV 避障研究 139
9.1 概 述 139
9.2 理论基础 139
9.2.1 滑模变结构控制 139
9.2.2 Terminal滑模控制 141
9.3 碰撞问题描述及运动学方程 142
9.4 Terminal滑模控制有限时间收敛避障算法设计 143
9.4.1 制导律设计 143
9.4.2 稳定性分析 144
9.4.3 有限收敛时间分析 145
9.4.4 UAV 速度求解 146
9.5 仿真分析 146
参考文献 150

本书主要阐述了无人飞行器飞行时的在线避障技术，包括采用速度障碍圆弧法、空间速度障 碍球冠法、比例导引律、线性导引律，以及基于Terminal滑模控制的导引方法等，以实现能够基于导引及路径重规划的在线避障。

本书可为无人飞行器自主协同控制、导引及指挥等相关专业的科技工作者提供重要的理论和实际参考，也可作为高等院校相关专业的高年级本科生、研究生和教师的教学参考用书。