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无人机集群规避动态障碍物的分布式队形控制

系统工程与电子技术 2022年第2期44卷 529-537页

作者：符小卫潘静西北工业大学电子信息学院陕西西安710129 西安现代控制技术研究所陕西西安710065

本文研究了无人机集群躲避动态障碍物下的队形控制问题。首先,引入针对动态障碍物的碰撞预判机制判断集群是否需要对障碍物进行规避。其次,在动态障碍物与无人机间构造斥力场实现避障。最后,根据一致性理论设计基于集群各无人机之间、... 详细信息

本文研究了无人机集群躲避动态障碍物下的队形控制问题。首先,引入针对动态障碍物的碰撞预判机制判断集群是否需要对障碍物进行规避。其次,在动态障碍物与无人机间构造斥力场实现避障。最后,根据一致性理论设计基于集群各无人机之间、无人机与虚拟领导者之间的位置、速度一致性控制律,结合人工势场法实现躲避动态障碍物下集群队形的形成与保持。仿真结果表明,集群无人机能够在以分布式方式躲避动态障碍物的同时实现队形的形成、保持与重构。

关键词：无人机集群队形控制动态障碍物一致性理论人工势场法

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针对动态障碍物的7R机械臂实时避障方法

北京工业大学学报 2022年第11期48卷 1141-1149页

作者：赵京李世龙龚世秋北京工业大学材料与制造学部北京100124

为解决在有动态障碍物环境下的避障问题,针对七自由度冗余机械臂提出了一种实时避障方法,该方法将传统复杂的机械臂避障规划转化为对单根连杆进行避障引导的运动规划.通过连杆与障碍物的位置关系划分主次危险杆件,并对杆件进行实时的避... 详细信息

为解决在有动态障碍物环境下的避障问题,针对七自由度冗余机械臂提出了一种实时避障方法,该方法将传统复杂的机械臂避障规划转化为对单根连杆进行避障引导的运动规划.通过连杆与障碍物的位置关系划分主次危险杆件,并对杆件进行实时的避障规划,引导机械臂在快速避开障碍物的同时向目标点运动.在避障完成后,基于自运动的逆解算法,构建了安全距离势能指标确定自运动解集中的最优位形解并进行达点运动.结果表明:该算法在动静态环境下进行达点运动时皆能及时有效地避开障碍物,且避障过程中平均单步迭代运算时间约25 ms,远小于传统避障算法,验证了算法的实时性和有效性.

关键词：七自由度机械臂动态障碍物达点运动碰撞检测平滑函数避障规划

动态障碍物环境下移动机器人的全局路径规划研究

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南京师大学报（自然科学版） 2017年第3期40卷 52-58,66页

作者：李二超王慧莹杨秀平梁波兰州理工大学电气工程与信息工程学院甘肃兰州730050 兰州理工大学经济管理学院甘肃兰州730050

针对环境中存在动态障碍物时,如何运用全局路径规划算法求解移动机器人的最佳路径,设定动态障碍物的运动范围是已知的,则危险程度是一个区间数.定义一种Pareto概率支配公式,求出不同区间数之间的占优概率,由此得出哪条路径的安全程度更... 详细信息

针对环境中存在动态障碍物时,如何运用全局路径规划算法求解移动机器人的最佳路径,设定动态障碍物的运动范围是已知的,则危险程度是一个区间数.定义一种Pareto概率支配公式,求出不同区间数之间的占优概率,由此得出哪条路径的安全程度更高.对传统NSGA-Ⅱ算法进行改进,根据约束函数把所有的解区分为可行解与非可行解,引入非可行解储备集储存好的非可行解,引导可行解进化出更好的解.建立环境模型,用Matlab软件进行仿真,仿真结果表明对不同的障碍物环境,该方法均能规划出安全无碰的路径,与传统算法进行对比,改进后算法在求解动态障碍物环境下的机器人路径规划问题更加可行有效.

关键词：移动机器人路径规划动态障碍物 NSGA-Ⅱ算法

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基于动态障碍物的无人机航迹规划研究

基于动态障碍物的无人机航迹规划研究

作者：于亚楠青岛科技大学

学位级别：硕士

目前,计算机、航空航天以及通信技术的日益成熟也带动了世界各国对无人机技术的热忱研发。航迹规划技术是确保无人机成功完成分配任务的关键,同时还为无人机完成自动避障以及独立飞行提供技术支持。因此,本文以无人机为对象,针对无人机... 详细信息

目前,计算机、航空航天以及通信技术的日益成熟也带动了世界各国对无人机技术的热忱研发。航迹规划技术是确保无人机成功完成分配任务的关键,同时还为无人机完成自动避障以及独立飞行提供技术支持。因此,本文以无人机为对象,针对无人机航迹规划问题进行了深入研究与改进。本文主要工作如下:针对无人机全局航迹规划问题,在分析对比环境建模方法后选择对可视图法进行改进。首先,对障碍物进行膨胀优化处理来提高无人机实际飞行时的安全性。针对可视图法存在的局限性,提出取障碍物外接圆圆心之间连线的中点再进行可视性判断;对与起止点直线上的障碍物进行辅助点的构建,通过辅助点来渐近收敛到目标点以及根据障碍物与起止点直线的位置关系来提取障碍物的部分顶点三种思路对其改进,结果表明改进方法能够提高可视图法的灵活性及适用性。针对无人机局部航迹规划问题,对快速扩展随机树(Rapidly-exploring Random Tree,RRT)算法参数进行实验分析,引入“变概率采样”和“变步长”概念进行改进。通过随机树成功探索次数来求取当前随机树的节点扩展率进而确定目标偏移概率,以变概率采样的思想来引导接下来随机树的扩展方向;通过新增一个最近节点指向目标点方向的步长,使新节点在最近节点指向随机点和目标点的合向量方向上扩展,并通过最近节点与障碍物之间的距离来动态调节扩展步长,使随机树扩展既能保持随机性,避免陷入局部极小值,又能保持向目标点收敛,使规划出的航迹较为理想。由仿真实验证明了改进算法具备有效性,可以整体提高航迹规划效果,为动态环境下的算法融合提供可行性支持。在分析人工势场算法原理及缺陷的基础上,引入无人机与目标点的相对距离项来改进斥力势场模型以解决目标不可达问题,再将无人机与目标点及障碍物之间的相对速度项引入势场模型来更好地适应动态环境;运用改进RRT算法具备的随机及目标收敛双重特性来构建节点扩展函数模型,并与人工势场算法融合以解决局部极小值问题,使之在动态环境下具有很好的适用性及概率完备性。通过仿真实验验证了改进算法能够解决动态环境下的航迹规划问题。

关键词：无人机动态障碍物航迹规划可视图算法融合

基于状态改变的机器人动态障碍物路径规划算法

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南京航空航天大学学报 2020年第6期52卷 861-870页

作者：晋玉强陈麒杰王陶昱海军航空大学岸防兵学院烟台264001

借鉴电路中,电器元件对于外加激励,状态发生改变,同时在最短时间内恢复到初始状态的现象,将动态障碍物的实时变化类比为外加激励,提出一种基于状态改变的机器人动态障碍物路径规划算法。首先对机器人绕行单个固定障碍物进行深入分析,然... 详细信息

借鉴电路中,电器元件对于外加激励,状态发生改变,同时在最短时间内恢复到初始状态的现象,将动态障碍物的实时变化类比为外加激励,提出一种基于状态改变的机器人动态障碍物路径规划算法。首先对机器人绕行单个固定障碍物进行深入分析,然后采用状态更新的方式,对动态障碍物进行分析,最后利用叠加法,对存在动态障碍物和静态障碍物的混合任务规划区域进行分析,并生成避障路径。为了验证算法在多障碍物环境的路径规划能力,利用数值仿真模拟实验,结果表明,在该算法中,机器人能够分别有效的实现静态障碍物区域、动态障碍物区域以及动静混合障碍物区域的路径规划。

关键词：机器人路径规划动态障碍物状态改变克罗内克函数

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动态障碍物状态空间重构的无人车路径规划

机械设计与制造 2024年第3期 243-248页

作者：雷芳华袁小芳湖南大学电气与信息工程学院湖南长沙410082 郴州职业技术学院现代装备制造学院湖南郴州423000

为了保证无人驾驶汽车在动态障碍物的环境下,实现安全的避障路径规划,提出了一种基于动态障碍物状态空间重构的避障路径规划方法。该避障路径规划方法,以前轮偏角为控制量,运用模型预测控制(MPC)方法,忽略车身尺寸信息建立点质量模型,... 详细信息

为了保证无人驾驶汽车在动态障碍物的环境下,实现安全的避障路径规划,提出了一种基于动态障碍物状态空间重构的避障路径规划方法。该避障路径规划方法,以前轮偏角为控制量,运用模型预测控制(MPC)方法,忽略车身尺寸信息建立点质量模型,主要在规划层中利用车载传感器的采集信息,对动态障碍物状态空间信息进行重构,研究不同重构构型对避障效果以及“穿越”现象的影响问题。在特定行驶工况中,采用CarSim和Simulink进行联合仿真,以低中高三种速度进行动态障碍物避障稳定性分析,仿真结果表明,所提出的避障路径规划方法对于存在动态障碍物环境下是有效的,避免了由于忽略车身尺寸所导致的“穿越”现象,通过与传统人工势场法比较,验证了本方法规划的路径更短,避障曲率更优。基于动态障碍物状态空间重构的避障路径规划具有安全性和稳定性。

关键词：无人车动态障碍物状态空间重构路径规划

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动态障碍物与三维流体交互仿真研究

计算机仿真 2010年第5期27卷 223-226页

作者：杨庆王仁芳浙江万里学院浙江宁波315100

关于在动态障碍物特性的问题,研究了动态障碍物与流体进行交互的计算机三维仿真,为达到仿真的有效性和高效性要求,提出了算子替代方法并对三维体素进行优化,通过内-外体素化方法对障碍物进行离散,同时指定动态障碍物边界条件,将动态障... 详细信息

关于在动态障碍物特性的问题,研究了动态障碍物与流体进行交互的计算机三维仿真,为达到仿真的有效性和高效性要求,提出了算子替代方法并对三维体素进行优化,通过内-外体素化方法对障碍物进行离散,同时指定动态障碍物边界条件,将动态障碍物边界表示成随障碍物移动或变形而变化的压力纹理和速度纹理,从而影响流体网格产生自由滑动。仿真实验证明,方法不仅更适合于GPU的计算模型,而且经过优化后具有更好的仿真速度和稳定性。

关键词：图形处理器流体动态障碍物仿真内-外体素

航天器规避动态障碍物的自适应人工势函数制导

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中国空间科学技术 2012年第5期32卷 1-8页

作者：高鹏罗建军西北工业大学航天学院西安710072 航天飞行动力学技术重点实验室西安710072

针对航天器近距离操作中的动态障碍物规避问题,研究了一种燃料较省、精度较高的规避动态障碍物的自适应人工势函数制导方法。首先,对于引入高斯函数形式斥力势会使势函数在收敛点处的值不为零的情况,对斥力势乘以修正项,使得在收敛点的... 详细信息

针对航天器近距离操作中的动态障碍物规避问题,研究了一种燃料较省、精度较高的规避动态障碍物的自适应人工势函数制导方法。首先,对于引入高斯函数形式斥力势会使势函数在收敛点处的值不为零的情况,对斥力势乘以修正项,使得在收敛点的势能为零,消除了平衡点的偏离;在规避静态障碍物的基础上,研究了规避动态障碍物的人工势函数制导。其次,根据速度与引力梯度之间的关系,设计负反馈,使引力势梯度"适应"速度的变化,研究了规避动态障碍物的自适应人工势函数制导。最后,采用精确的数学模型进行数值仿真,验证所设计的制导律的正确性和有效性,并与传统的人工势函数制导对比。仿真结果表明:采用修正势函数提高了收敛精度;自适应人工势函数制导控制脉冲作用施加更加合理,相比人工势函数而言,总速度脉冲消耗可节省30%,精度提高两个数量级。

关键词：人工势函数制导动态障碍物自适应航天器

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动态障碍物影响下流体的仿真技术研究

动态障碍物影响下流体的仿真技术研究

作者：李朋电子科技大学

学位级别：硕士

在现实生活中，时常会发生一些自然灾害，如洪水、火灾、地震等，严重威胁着人们的生命财产安全。如果能够将这些自然灾害在计算机上仿真重现，将会对人们在发生灾害时的应对措施起到很大的指导作用。像洪水、火灾这些自然灾害，在计... 详细信息

在现实生活中，时常会发生一些自然灾害，如洪水、火灾、地震等，严重威胁着人们的生命财产安全。如果能够将这些自然灾害在计算机上仿真重现，将会对人们在发生灾害时的应对措施起到很大的指导作用。像洪水、火灾这些自然灾害，在计算机仿真领域，都可以归为流体的仿真。本文在深入研究了实时3D流体的仿真技术的基础上，提出了一种用于模拟动态障碍物影响下的流体的算法方案，并基于国家863项目“虚拟环境下群体动画实时模型与绘制技术”以及“3D物理引擎和高效绘制技术与系统”，在计算机上予以了实现。论文首先对当前流体仿真动画的相关研究与成果进行了详细的综述，然后对基于物理方式的流体模拟背后所涉及到的物理方程进行了详细的推导与分析。其中，在流体模拟中最重要的一个物理方程是描述流体特性最为全面的Naiver-Stokes方程，而求解此方程的过程即可作为流体模拟的实现过程。然而，Navier-Stokes方程异常复杂，如果完全在计算机上实现其求解过程，是很不现实的。因此本文采用了简化的Navier-Stokes方程，即无粘性且不可压缩流体的Navier-Stokes方程。论文在前人的研究基础上，通过对Navier-Stokes方程中的平流项和压力项的求解步骤进行改进，提出了一种用于动态障碍物影响下流体实时模拟的算法方案。本算法方案在半拉格朗日平流计算的基础上加入了平流误差补偿与校正步骤，通过预先计算出误差，消除误差，很好的解决了半拉格朗日方法的数值耗散问题，提高了平流计算的精度。同时，在计算压力时考虑到动态障碍物的影响，在障碍物边界处，依据动态障碍物的拉格朗日运动方程和流体的不可压缩性建立起耦合线性方程，通过求解此耦合方程，实现障碍物与流体压力的同步更新。最后，本文以水作为流体的研究对象，成功的将此算法方案应用到了当前项目中，给出了算法方案在GPU上的实现过程，并针对水表面的特性，对算法提出了相关的改进与增补。另外，由于动态障碍物的模拟过程是在CPU上实现的，而流体的模拟过程是在GPU上实现的，为兼顾流体与障碍物的模拟，本文创新性的采用了CPU与GPU相结合的方式，并结合本文提出的算法巧妙的实现了流体与障碍物的耦合。

关键词： Navier-Stokes方程 GPU 动态障碍物体渲染