【摘要】：本文研究了無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)的環(huán)境建模和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法。首先,本文提出了偶極子橢圓包絡(luò)(Dipole Ellipse Envelope, DEE)模型以實(shí)現(xiàn)環(huán)境建模,并定義了基于該模型的環(huán)境熵增。該模型包括孤立包絡(luò)(Isolated Envelope Mode)和組合包絡(luò)(Combined Envelope Mode)兩種模式,前者針對(duì)簡單、孤立的障礙物,后者則適用于復(fù)雜、群集的障礙物。這兩種模式以相同的理念為支撐,即從整體上把握障礙物的外廓和走勢(shì),而忽略無關(guān)緊要的邊界細(xì)節(jié),從而以犧牲一定的精確性為代價(jià),換取幾何建模的簡潔性和靈活性,尤其適用于在信息不完全或環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中對(duì)任意形狀障礙物進(jìn)行幾何建模。在環(huán)境建模的基礎(chǔ)上,本文將運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題分為兩個(gè)層次：(1)在全局環(huán)境中,將路徑長度和環(huán)境熵增等因子歸一化為目標(biāo)函數(shù),進(jìn)而利用粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃；(2)在局部環(huán)境下,通過實(shí)時(shí)感知環(huán)境信息來動(dòng)態(tài)更新環(huán)境模型,并利用人工勢(shì)場(chǎng)(Artificial Potential Field, APF)方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)避障。特別地,為了提高動(dòng)態(tài)避障的可靠性和效率,本文對(duì)傳統(tǒng)APF方法進(jìn)行了改進(jìn),一方面在目標(biāo)引力場(chǎng)、障礙物斥力場(chǎng)的基礎(chǔ)上引入偶極子導(dǎo)流場(chǎng)以減少發(fā)生路徑振蕩和陷入極小值點(diǎn)的可能性,另一方面在構(gòu)建APF是不僅考慮位置信息和速度信息,而且考慮二者的相互關(guān)系以實(shí)現(xiàn)二者的相互協(xié)調(diào)。為了實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和動(dòng)態(tài)避障的有機(jī)統(tǒng)一,本文將二者融入到統(tǒng)一框架中：在全局環(huán)境中,前者規(guī)劃一條由若干節(jié)點(diǎn)串聯(lián)而成的大致路徑；在局部環(huán)境中,后者實(shí)現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的動(dòng)態(tài)避障。這種架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了二者的利弊互補(bǔ)：前者可以保證全局路徑的合理性,使得后者不會(huì)陷入局部極小值點(diǎn)或者局部振蕩區(qū)域；后者可以保證局部軌跡的平滑性,從而減少了前者所需節(jié)點(diǎn)數(shù),顯著提高了前者的效率。以DEE模型為基礎(chǔ),本文對(duì)路徑規(guī)劃和動(dòng)態(tài)避障算法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明該框架具有較高的有效性和效率。
【圖文】：

無人機(jī)環(huán)境建模和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法研究逡逑１．２偶極子橢圓包絡(luò)（ＤＥＥ）模型逡逑如圖１．２所示，在笛卡爾坐標(biāo)系Ｏｘｙ中，橢圓中心Ｃ的位置為（Ｘｃ，邋ｙｃ）Ｔ，長軸ＰＱ逡逑的長度為２ａ，短軸ＭＷ的長度為２ｂ。在Ｐ點(diǎn)放置正極子，在Ｑ點(diǎn)放置負(fù)極子，構(gòu)成一逡逑對(duì)偶極子。本文利用帶有偶極子的橢圓包絡(luò)障礙物，稱為偶極子棉圓包絡(luò)（ＤｉｐｏｌｅＥｌｌｉｐｓｅ逡逑Ｅｎｖｅｌｏｐｅ，邋ＤＥＥ）模型。逡逑ｙ本邐ｙ本逡逑／退化范圍、、逡逑，退化范圍、＼邐＼邋／邐＼逡逑Ｚ邐，邋Ｚ逡逑Ｚ邐、？邐，逡逑３０°逡逑ｓ…邐Ｓ＾ｌｌ３０１＿．逡逑０＊邐｜ｏ＾逡逑（ａ）ｅ邋＝邋０°，邋（Ｐ邋＝邋３０°邐（ｂ）ｅ邋＝邋３０°

無人機(jī)環(huán)境建模和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法研究逡逑１．４．１構(gòu)建凸角序列逡逑為了敘述方便，首先參照?qǐng)D１．５給出凸角序列及其他相關(guān)概念的定義：逡逑）Ａ｜｜邋捯逡逑ｖ５逡逑（ａ）邋“Ｖ”字形邐（ｂ）邋“Ｘ”字形逡逑圖１．５構(gòu)建凸角序列逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ邋ｔｈｅ邋ｖｅｒｔｅｘ邋ｓｅｑｕｅｎｃｅ逡逑定義１．１４：凸角序列。找出障碎物邊界上的所有凸角，�。剌S坐標(biāo)最小的凸角作為逡逑第一個(gè)元素，，并按照逆時(shí)針順序?qū)⑵渌菇且来渭尤胄蛄校种�，得到Ｖ＝邋［ｖｌ，邋ｖ２，…，ｖｎ］，逡逑ｎ是凸角的個(gè)數(shù)，稱為凸角序列。如果ｎ＜邋３，則稱為退化凸角序列。凸角ｖｉ表示為（ｐｉ，邋ａｉ，逡逑Ｔｉ），邋ｉ邋＝邋１，２，…，！！。其中，ｐｉ邋＝邋（ｘｉ，邋ｙｉ）表示凸角ｖｉ的位置坐標(biāo)；ａｉ表示凸角ｖｉ的角度，ａｉ邋＜逡逑１８０°；邋ｔｉ表示與凸角ｖｉ的平分線重合的單位失量，方向由障礙物內(nèi)部指向外部。逡逑如圖１．５所示，在每個(gè)凸角處插一支與角平分線相重合的黑色線段。在圖１．５ａ和逡逑１．５ｂ中，凸角序列均表示為［ｖｌ，邋ｖ２，邋ｖ３，邋ｖ４，邋ｖ５］邋＝逡逑定義１．１５：輪廓多邊形。將凸角序列Ｖ中的所有凸角依次連接起來
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V279

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本文編號(hào)：2564140