基于A*与人工势场的四旋翼无人机路径规划算法研究

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随着科学技术的进步,特别是微电子技术和微机电技术的发展,无人机的制造费用不断降低,性能却不断提高。经过几十年的发展,无人机在民用和军用领域都得到了十分广泛的应用。四旋翼作为一种典型的民用无人机在最近几年发展尤为迅速,在航拍领域已经成为人们必不可少的工具。智能化是现阶段四旋翼发展的主要方向,四旋翼无人机的自主运动一直受到研究人员的重点关注,路径规划作为无人机自主导航的关键技术之一,很具有研究价值。  本课题针对四旋翼无人机路径规划的需求提出了基于 A*和人工势场法相结合的路径规划方法,使四旋翼无人机同时拥有较强的路径搜索能力和避障能力。通过对四旋翼的路径规划相关技术进行调查研究,本文给出了四旋翼无人机路径规划空间建模方法,利用 Voronoi 图进对四旋翼无人机的路径规划空间进行建模,设计了 A*算法结点的数据结构,实现了用 A*算法在 Voronoi 图中的进行全局最优路径的搜索,对人工势场法进行路径规划的优缺点进行了研究分析,针对人工势场局部极小值的问题对力场函数进行了改进,实现了基于人工势场进行局部路径规划并对其进行了仿真分析。采用分层的思想将A*算法和人工势场结合进行路径规划,利用A*算法得到全局的最优路径,使用人工势场进行局部路径规划并引导四旋翼无人机运动。根据四旋翼实际运动情况在算法中加入了针对动态环境的处理方法,包括对局部极小值状态的检测和处理以及全局路径和局部路径的更新规则和其他异常状态的处理。  本文设计了仿真程序来模拟四旋翼无人机的在实际运动中的情况,对所提出的算法进行了的仿真分析,并将所提出的结合算法那与基于栅格的A*算法、RRT 算法、PRM 算法进行了对比。结果表明,本文所提出的算法能够结合 A*和人工势场两种算法的优点,能够同时实现障碍物的规避和路径搜寻,所规划的路径光滑平整,与障碍物的距离控制良好,路径长度短等优点。
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