基于MATLAB的四旋翼无人机避障策略仿真

基于MATLAB的四旋翼无人机避障策略仿真

李航蔚卢阳冯志杰

中国人民解放军69250部队新疆乌鲁木齐830002

摘要：为保证四旋翼无人机在飞行安全，有效完成任务，避障策略尤为重要。本文采用人工势场法的避障方案，对经典人工势场法进行改进，使之达到所需目标。

关键词：四旋翼；人工势场；仿真

一引言

四旋翼无人机（下文简称四旋翼）通过控制四个电机和螺旋桨的转速来实现飞机的俯仰、偏航和滚转运动，在高海拔、低气压、多障碍的高原多山地区飞行时易避障不及时而损毁，本文基于MATLAB运用人工势场实现四旋翼避障策略仿真。

二模型建立

为实现四旋翼避障策略仿真，首先建立四旋翼的数学模型，分析姿态算法。

2.1确立坐标系

四旋翼运动状态由大地平面坐标系和机体坐标系来描述。为简化仿真，不考虑实际飞行中气流速度矢量与机体的角度关系的影响。

大地平面坐标系用于描述其相对于地面的运动状态。在地面上选一点oe作为起飞位置，xe轴在水平面内指向某一方向，ye轴垂直于地面向下。然后，按右手定则确定ze轴。

机体坐标系原点ob取在机体重心位置，坐标系与机体固连，xb轴在机体对称平面内指向机头。zb轴在机体对称平面内，垂直xb轴向下。然后，按右手定则确定yb轴。

2.2姿态表示

姿态角是指机体坐标系与地面惯性坐标系之间的夹角，又称欧拉角。机体轴与水平面之间的夹角称为俯仰角，用θ表示，机体抬头为正。机体轴在水平面上的投影与地轴之间的夹角称为偏航角，用Ψ表示，以机头右偏为正。四旋翼对称面绕机体轴转过的角度称为滚转角，用Φ表示，右滚为正。

本文用欧拉角法建立四旋翼的数学模型，机体旋转的角速率,与欧拉角变化率、、的关系为。

三避障策略

为克服传统避障策略中飞行轨迹与斥力相反，造成算法死循环的问题，可在原有势能场基础上增加旋转向量。根据任一障碍物都可被最小的长方体包裹的原理，设障碍物为长方体，且边的方向分别与坐标系x、y、z轴平行，故旋转向量的势能场可分为x-y平面的向量场（顺时针旋转和逆时针旋转）和y-z平面的向量场（向上旋转和向下旋转）。

最经济避障策略流程如下：

四仿真与实现

首先，对运动方式做出定义，达到避障目的；其次，嵌入避障程序，当四旋翼与障碍物的距离少于一定数值时触发程序，而后通过公式算得最优避障路线。

在MATLAB环境下编程，设置一个长宽高为3、3、4的障碍物和一个四旋翼，与障碍物的安全距离为5。当四旋翼与障碍物的距离小于5时，触发避障程序，生成避障方案，最后避开障碍物飞行。

针对避障进行仿真后得到下图：

五结束语

本文基于人工势场法对四旋翼的避障策略进行了仿真，对障碍物外形要求较高。通过仿真可知本避障策略适用于空间较大的场合，如在狭小的地域遭遇障碍物有可能因空间不够而损毁。因此，下一步研究应倾向于更加灵活、更具实用性地避障策略。

参考文献

[1]杨云高；鲜斌等.四旋翼无人飞行器架构及飞行控制的研究现状.第三十届中国控制会议，2011

[2]程敏.四旋翼飞行器控制系统构建及控制方法的研究.大连理工大学硕士论文,2012

[3]常凯.四旋翼无人机姿态控制与协同编队算法研究.军械工程学院,2016

[4]李天涯.四旋翼飞行器姿态控制及轨迹规划的研究.北京理工大学硕士学位论文，2016