一种基于快速扩展随机树的无人机航路规划方法技术

本发明专利技术涉及一种基于快速扩展随机树的无人机航路规划方法，属于无人机技术领域。相对于现有技术主要改进点：在使用随机点作为新增点替换传统方法的定步长生成新增点，通过为新增节点创建父节点的方式使得局部路径更加靠近障碍物。其中使用随机点作为新增点替换传统方法的定步长生成新增点的方案，极大程度上提高了随机树的扩展速度，减少了环境的维度和大小对规划算法的约束强度，能更好的适应于无人机工作的三维场景；通过为新增节点创建父节点的方式使得局部路径更加靠近障碍物，从而减少了新增节点添加到随机树后到根节点的代价，提高了生成符合无人机航迹的速度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于快速扩展随机树的无人机航路规划方法
本专利技术涉及路径规划领域，具体设计了一种基于快速扩展随机树的路径规划方法，在无人驾驶、机械臂控制和无人机航路规划等领域有广泛的应用。
技术介绍
路径规划一直是智能机器人领域的热点话题，其目的是在任务空间中寻找一条从起始点到目标点之间的无碰撞连续路径，一般地，采用图搜索算法可以获取最短路径，但此类算法的规划速度受环境大小影响较大。快速扩展随机树(RRT/rapidlyexploringrandomtree)算法(参见LavalleSM.Rapidly-exploringRandomTrees:ANewToolforPathPlanning[Z].USA:ComputerScienceDept,lowaStateUniv,1998.)摒弃了路径最优特性，通过在空间中随机采样的方案对空间进行探索，在环境适应性和求解速度上有较大优势，其随机树可被视为空间中已探索的安全区域，当随机树扩展到目标点时，便可生成可行的安全路径。由于随机树的结构与随机点的生成顺序密切相关，导致传统RRT算法生成的路径迂回曲折且不是全局最优，考虑到无人机的运动特性，由RRT*算法生成的可行路径不能作为无人机的规划轨迹。RRT*算法(参见Karaman,S.,&Frazzoli,E.(2011).Sampling-basedalgorithmsforoptimalmotionplanning.TheInternationalJournalofRoboticsResearch,30(7),846–894.)增加了随机树的局部重构环节，使得算法具备渐进最优的特性，并且增加了新增节点的父节点重选环节，该环节减少了从起始点到点路径的代价，从而减少算法收敛到最优路径所需时间。在此基础上，如何使算法快速收敛到最优路径成为研究热点，Informed-RRT*利用RRT*算法的初始解构建椭圆采样区域(参见GammellJD,SrinivasaSS,BarfootTD.InformedRRT*:OptimalSampling-basedPathPlanningFocusedviaDirectSamplingofanAdmissibleEllipsoidalHeuristic[J].2014.)，从而有效提高采样点的利用率，但当构建采样区域超过原本的采样空间时，算法不能起到加速作用；RRT*-smart也在RRT*算法的初始解上进行优化(参见IslamF,NasirJ,MalikU,etal.RRT*-Smart:RapidconvergenceimplementationofRRT*towardsoptimalsolution[C].MechatronicsandAutomation(ICMA),2012InternationalConferenceon.IEEE,2012.)，利用节点删节和智能采样手段减少优化时间，但算法的性能容易受到初始解影响，只能得到与初始解类别相同的优化结果；Quick-RRT*利用随机树顶点之间的连接关系增加搜寻节点数量(参见JeongIB,LeeSJ,KimJH.Quick-RRT*:TriangularInequality-basedImplementationofRRT*withImprovedInitialSolutionandConvergenceRate[J].ExpertSystemswithApplications,2019,123(JUN.):82-90.)，也能缩短生成路径长度的效果，但是增大搜寻节点数量无疑会导致消耗时间增大，因此在实际应用中常常受到限制。由于基于采样的路径规划方案无法在有限时间内得到最优路径，在实际应用场景中，往往不需要优化到最短路径，特别是对于无人机这样的高速运动对象，它们对航路规划时间要求较高。因此获得可行路径的时间也应该作为衡量航路规划算法的重要指标，而上述航迹规划方法均不能在时间和路径长度之间取得良好的平衡。
技术实现思路
要解决的技术问题当前基于采样的路径规划算法均侧重于如何提高收敛速度，算法获得的初始可行路径的长度则不被重视，欲得到符合无人机飞行的期望路径，需要额外时间优化。为了提高路径规划算法效率，使其满足无人机应用场景，本专利技术提出一种基于快速扩展随机树的改进型的路径规划方法，通过进一步减少新增节点添加到随机树后到根节点的代价，从而减小生成路径的长度，缩短优化时间所需时间，使其快速满足无人机对航迹规划算法需求。技术方案一种基于快速扩展随机树的无人机航路路径规划方法，其特征在于步骤如下：步骤1：障碍物的位置和尺寸已知的无人机航路规划环境Map，起始点xstart，目标区域Xgoal，环境X＝Xobs∪Xfree，其中Xobs为障碍物所在区域，Xfree为无障碍物区域，因此有Xobs∩Xfree＝φ；同时对参数进行初始化，包括：最大循环次数Nmax，循环计数变量ncount＝1；局部重构半径Drewire；随机树G＝(V,E)，其中V←{xstart}为随机树的节点列表，E←φ则表示节点之间的扩展关系；步骤2：判断循环次数ncount是否超过最大循环次数Nmax：当循环次数ncount超过设定的最大循环次数Nmax时，则跳转至步骤15；当循环次数ncount小于等于最大循环次数Nmax时，进入步骤3；步骤3：循环次数ncount增加1，然后进入步骤4；步骤4：在环境Map中无障碍物区域随机生成新增节点xnew；节点生成后，进入步骤5；步骤5：在已知随机树包含的节点列表V中寻找与新节点xnew空间距离最近的节点，并将其记为xnearest；进入步骤6；步骤6：判别点xnearest到xnew之间直线路径上是否含有障碍物，若存在障碍物，则返回步骤2；若不存在障碍物，则进入步骤7；步骤7：沿着xnearest所在支线向随机树的根节点进行逐个检测，找到一个与xnew之间的局部路径安全且其父节点与xnew之间存在障碍物的节点，如果将其记为xbest，其父节点记为Parent(xbest)，它们需要满足：{xbest-xnew}∈Xfree且找到xbest后，利用二分法在xbest-Parent(xbest)线段上到一个点xallow，使得xallow到xnew之间无障碍物，即{xallow-xnew}∈Xfree；然后再次使用二分法在xallow-xnew线段上找到一个点xnew-parent，使其满足{Parent(xbest)-xnew-parent}∈Xfree，从而可以使得xnew通过xnew-parent连接到Parent(xbest)；步骤8：判断xnew-parent是否创建成功，如果xnew-parent≠φ且xnew-parent≠xbest，则表示xnew-parent创建成功，进入步骤9；否则，进入步骤13；步骤9：将xnew-parent加入到随机树G上，使其父节点为Parent(xbest)，即将xnew-parent加入到树的节点列表V，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于快速扩展随机树的无人机航路路径规划方法，其特征在于步骤如下：/n步骤1：障碍物的位置和尺寸已知的无人机航路规划环境Map，起始点x

【技术特征摘要】
1.一种基于快速扩展随机树的无人机航路路径规划方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：障碍物的位置和尺寸已知的无人机航路规划环境Map，起始点xstart，目标区域Xgoal，环境X＝Xobs∪Xfree，其中Xobs为障碍物所在区域，Xfree为无障碍物区域，因此有Xobs∩Xfree＝φ；同时对参数进行初始化，包括：最大循环次数Nmax，循环计数变量ncount＝1；局部重构半径Drewire；随机树G＝(V,E)，其中V←{xstart}为随机树的节点列表，E←φ则表示节点之间的扩展关系；
步骤2：判断循环次数ncount是否超过最大循环次数Nmax：当循环次数ncount超过设定的最大循环次数Nmax时，则跳转至步骤15；当循环次数ncount小于等于最大循环次数Nmax时，进入步骤3；
步骤3：循环次数ncount增加1，然后进入步骤4；
步骤4：在环境Map中无障碍物区域随机生成新增节点xnew；节点生成后，进入步骤5；
步骤5：在已知随机树包含的节点列表V中寻找与新节点xnew空间距离最近的节点，并将其记为xnearest；进入步骤6；
步骤6：判别点xnearest到xnew之间直线路径上是否含有障碍物，若存在障碍物，则返回步骤2；若不存在障碍物，则进入步骤7；
步骤7：沿着xnearest所在支线向随机树的根节点进行逐个检测，找到一个与xnew之间的局部路径安全且其父节点与xnew之间存在障碍物的节点，如果将其记为xbest，其父节点记为Parent(xbest)，它们需要满足：{xbest-xnew}∈Xfree且找到xbest后，利用二分法在xbest-Parent(xbest)线段上到一个点xallow，使得xallow到xnew之间无障碍物，即{xallow-xnew}∈Xfree；然后再次使用二分法在xallow-xnew线段上找到一个点xnew-parent，使其...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖彬，马瑞瑞，刘光辉，宗意棚，朱沈瑞，万方义，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61