微小型无人直升机避障最优轨迹规划

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1、2014年2月北京航空航天大学学报February2014第40卷第2期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．40No．2微小型无人直升机避障最优轨迹规划孟少华向锦武罗漳平任毅如(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191)摘要：针对无人直升机在低空复杂环境下避障飞行问题，提出了一种基于非线性最优控制理论的求解策略．以避障机动飞行时间为优化目标，无人直升机六自由度非线性动力学方程为等式约束，直升机飞行性能限制以及三维空间中障碍物限制等

2、因素为不等式约束，建立了避障机动飞行的最优控制模型．然后利用高斯伪谱法(GPM，GaussPseudospectralMethod)将轨迹规划问题转化为非线性规划(NLP，Non．LinearProgramming)问题，并采用序列二次规划算法进行求解．在此基础上研究了障碍物尺寸对最优轨迹的影响．计算结果表明，该方法能够以较高的精度生成真实可行的避障飞行轨迹，最优机动动作取决于障碍物纵横向尺寸比．关键词：避障；轨迹规划；高斯伪谱法；非线性最优控制中图分类号：V212．4文献标识码：A文章编号：1001-5965(2014

3、)02—0246-06Optimaltrajectoryplanningforsmall-scaleunmannedhelicopterobstacleavoidanceMengShaohuaXiangJinwuLuoZhangpingRenYiru(SchoolofAeronauticScienceandEngineering，BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Beijing100191，China)Abstract：Obstacleavoidanceforun

4、mannedhelicoptersafelyflyingincomplex-lowenvironmentswasin-vestigated．Asolvingstrategybasedonnonlinearoptimalcontroltheorywasdeveloped．Thecomputationofop—timalobstacleavoidingmaneuverswasviewedasanoptimalcontrolproblem，wherethesolutionminimizedthemaneuveringdurat

5、ionsubjectedtothe6-freedomnonlineardynamicsequationsandlimitationsofhelicopterflightperformance，inwhichtheobstaclesin3Dspacewereformulatedasinequalityconstraintsbyusing1-norms．Gausspseudospectralmethod(GPM)wasemployedtotransformthetrajectoryplanningproblemtonon—l

6、inearprogramming(NLP)problem，whichcanbesolvedusingasequentialquadraticprogrammingalgo·rithm．Moreovertheinfluenceofobstaclessizestotheplannedtrajectorywasinvestigated．Simulationresultsshowthattheproposedmethodcangeneratefeasibletrajectorieswithhighaccuracy，andtheo

7、ptimalmaneuverdependsontheratioofobstacleheightandweight．Keywords：obstacleavoidance；trajectoryplanning；Gausspseudospectralmethod；nonlinearoptimalcontrol无人机在国土防御和经济建设领域得到了越来越广泛的应用，无人直升机更因其独特的垂直起降和空中悬停性能而倍受青睐．在复杂、受限的空间中，无人直升机可以利用其悬停、横飞、倒飞等飞行方式穿梭于障碍物之间，完成战场侦查、地形测量、抢

8、险救灾等任务．与地面车辆不同的是，任何碰撞对于无人直升机都是致命的，直接导致预定任务失败，自主避险能力是其顺利完成任务的关键所在．轨迹规划技术作为无人直升机自主飞行研究的重要内容，受到了国内外学者的广泛关注．现有收稿日期：2013-08-01；网络出版时间：2013—12-0315：25网络出版地址：WWW．cnki