摘要：南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院使用NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)獲取多架無人機的精確位置信息，實現(xiàn)多架無人機協(xié)同實時路徑規(guī)劃。
研究背景
近年來，無人機越來越多地應(yīng)用于執(zhí)行戰(zhàn)場偵察、目標(biāo)識別、跟蹤打擊等任務(wù)。
由多架無人機協(xié)同執(zhí)行任務(wù)，通過無人機之間的信息交互實現(xiàn)全局性目標(biāo)，可以獲取超過單架無人機疊加的功能和效率，成為無人機應(yīng)用的趨勢之一。
為了保證多無人機協(xié)同運行，需要進行高效的實時路徑規(guī)劃，包括避障和防碰。
多無人機在線路徑規(guī)劃可以讓無人機集群適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，躲避未知障礙物，提高飛行安全。
多無人機在線路徑規(guī)劃不僅要考慮單機的飛行約束條件和威脅條件，還要考慮無人機的數(shù)量、功能、協(xié)同方式等因素，本質(zhì)上是一個大規(guī)模約束多目標(biāo)優(yōu)化問題。
飛行實驗
南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院呂迅竑團隊研究了一種基于改進Hybird A*的多無人機在線路徑規(guī)劃算法。并搭建了仿真系統(tǒng)和實驗平臺，驗證算法的實時性與穩(wěn)定性。
研究成果發(fā)表在2023年第六屆國際自主系統(tǒng)大會發(fā)表。
實驗中無人機搭載深度相機提供深度圖用來感知周圍環(huán)境；板載計算機負責(zé)無人機之間的路徑信息交互以及運行路徑規(guī)劃算法。NOKOV動作捕捉系統(tǒng)為各個無人機提供精準(zhǔn)的位置信息。
實驗?zāi)繕?biāo)為同時給定三架無人機的目標(biāo)點，要求各無人機均可在考慮避障和防撞的約束條件下安全抵達目標(biāo)點。
研究團隊將傳統(tǒng)速度障礙模型進行改進，提出適用于6自由度無人機的三維速度障礙模型，用以計算無人機在三維空間中的安全飛行速度。
各架無人機利用Hybird A*算法進行分布式路徑規(guī)劃。對已規(guī)劃的路徑進行碰撞風(fēng)險評估，若存在碰撞風(fēng)險，則根據(jù)三維速度障礙模型計算安全飛行速度，將安全飛行速度作為優(yōu)化約束條件，基于勢場法對路徑進行調(diào)整，使之同時達到避障與防撞的效果。
實驗結(jié)果
各架無人機進行在線路徑規(guī)劃，開始飛往目標(biāo)位置，在飛行的過程中不斷檢測障礙物，同時檢查是否與其他無人機發(fā)生碰撞，如果有碰撞風(fēng)險則進行重規(guī)劃；最后安全抵達目標(biāo)點。
三架無人機從起飛至到達目標(biāo)點，中途遇到多個障礙物，每架無人機均可以調(diào)整自己的路徑，在避障和防撞約束下到達目標(biāo)點。
其中UAV1飛行路徑8m，平均速度0.8m/s；UAV2飛行路徑15m，平均速度1.1m/s；UAV3飛行路徑19m，平均速度1.1m/s。
結(jié)果表明，利用研究團隊提出的算法，多架無人機可以同時進行在線規(guī)劃，規(guī)劃的路徑滿足無人機運動學(xué)約束條件，能夠規(guī)避障礙物，并有效防止無人機之間發(fā)生碰撞。
參考文獻：
Zhiwei Wang, Chenhui Wan, Xunhong Lv, ChengNi, Zehui Mao, Yunrui Li. Multi-UAV online path planning algorithm based onimproved Hybrid A*. Published in 2023 6th International Symposium on AutonomousSystems (ISAS), Nanjing, China
