无人直升机三维避障方法及仿真

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1、2016年8月第42卷第8期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsAugust2016V01．42No．8http：ffbhxb．buaa．edu．enjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0499无人直升机三维避障方法及仿真蒙志君4，平学寿，陈旭智(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083)摘要：自主避障是无人直升机(UH)在复杂未知环境中执行

2、飞行任务所必须的能力。针对未知环境下UH避障飞行问题，提出了一种新的三维实时避障方法，通过将三维激光雷达探测视野划分成若干不同半径的扇形柱区和等角度分布的直方柱区，结合雷达探测数据判断障碍物分布情况，UH根据避障方法执行相应的规避动作来实现避障飞行。同时提出一种基于CATIA三维建模软件二次开发的三维仿真方法，该方法可以对未知的飞行环境进行三维建模，结合避障方法实现UH在其中的真实避障飞行模拟，并利用该仿真方法验证了三维避障方法的可行性。关键词：无人直升机；三维避障；三维仿真；避障仿真；CATIA二次开发中

3、图分类号：V212．4文献标识码：A文章编号：1001．5965(2016)08．1619-08无人直升机(UH)具有垂直起降、悬停等优势，使其可以在低空复杂环境中执行特殊的任务，如侦查监控、抢险救灾及电路巡线等。但低空飞行环境的不确定性会对无人直升机产生致命威胁。因此，除了全局路径规划外，无人直升机实现全自主飞行还需要通过自主避障的方式来规避未知环境中的障碍物以更好地执行飞行任务¨‘3J。自主避障方法种类很多，主要有人工势场法(artificialpotentialfield)¨。1、矢量场矩形法(vec

4、．torfieldhistogram)¨⋯、模糊逻辑避障方法(fuzzyobstacleavoidance)一。叫及人工神经网络法(artifi—cialneuralnetwork)⋯。纠等。但这些方法都存在各自的缺陷而不适合用于无人直升机的三维避障，如人工势场法容易产生局部极值点即存在陷阱区域，而且对于不规则障碍物计算量会很大；矢量场矩形法在凹型障碍物容易被困，其根据传感器对障碍物的不完全探测来扩大障碍物轮廓并不可取，会导致障碍物外形失真影响避障效果；模糊逻辑避障方法则会因为规则库的丰富而计算量成几何级数

5、急剧上升，无人直升机三维自主避障需要较多的模糊规则，因此该方法难以付诸实施；人工神经网络法则收敛速度慢，对计算机的要求较高，且无法较好地表达知识和运用已有经验。本文开展无人直升机的三维自主避障方法的研究，提出一种新的三维避障方法，该方法基于激光雷达获取的障碍物信息实现无人直升机在未知环境下的自主避障飞行，具有可规避复杂障碍物、可通过狭窄通道和不易出现摆动等优点，且对计算机要求较低，避障效果好。并提出一种新的基于三维建模软件CATIA二次开发的三维避障仿真平台，平台融合三维避障方法来模拟仿真无人直升机的真实避

6、障飞行过程，同时用来检验并优化自主避障方法性能。收稿日期：2015-07-28；录用日期：2015-09—18；网络出版时间：2015．11．1910：19网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20151119．1019．006．html$通讯作者：Tel．：010—82317557E—mail：mengzhijun@buaa．edu．cnBl用格式：蒙志君．平学寿，陈旭智．无人直升机三维避障方法及仿真【11．北京航空航天大学学报．2016．42(8)：1619

7、．1626．MENGZJ，PINGxS，CHENXZ．3Dobstacleavoidancemethodandsimulationforunmannedhelicopter[Jj．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42f8)：1619-1626(inChinese)．第8期蒙志君，等：无人直升机三维避障方法及仿真1621·u标甜=vtan[5(6一i)](1)≮叠≤＼卢，，卢2一轴线与障碍物两侧边沿的角度；70一轴线与目标

8、夹角；y，，y2一理想航向与障碍物两侧边沿的角度；a—卢2的余角。图4状态2避障示意图Fig．4Schematicdiagramofobstacleavoidanceforstate23)，则判断，、肘扇区(不区分优先顺序)内其他直方区的障碍物分布情况，将航向朝最靠近目标方向的无障碍物的直方区方向调整，如果F、M扇区所有直方区均有障碍物，则沿当前航向直飞。若C区有障碍物(状态4)，则判断F、M以及Ⅳ扇区内其他直方