固定翼无人机转向避障最短轨迹问题研究

固定翼无人机飞行过程中，遇到突发障碍威胁不能悬停只能提前转向避障，针对如何获得转向避障最短飞行轨迹的问题，本文根据固定翼无人机的飞行特点，采用Dubins路径方法，设计了满足无人机小转弯半径和飞行方向约束条件的航路。论文给出了无人机与障碍威胁区相交的判断方法，提出了基于Dubins路径的障碍躲避策略，仿真计算得出无人机越早做出规避动作飞行路径越短的结果。本文探讨的解决问题方法具备规划的路径短，算法简便高效等特点，可为固定翼无人机任务规划系统设计提供参考思路。

无人机在执行任务中，有时会遇到在静态任务规划阶段无法预知的障碍威胁。固定翼无人机与旋翼无人机飞行特点不同，固定翼无人机遇到障碍威胁不能先悬停再避障，因此在接触到威胁之前，制定妥善的躲避策略来规避威胁，对确保无人机执行任务成功概率和飞行安全至关重要，相关研究可参见文献[1]-[9]。

面对突然出现的障碍威胁， 时间上不允许地面控制人员对无人机进行全局路线重规划， 通过调整局部轨迹方法来规避威胁，是一种较好的选择。当障碍威胁被无人机探查到时，何时通过内置算法执行规避动作，从而使得飞行轨迹最短，这个问题值得探讨。

在规避障碍威胁局部轨迹调整的设计上，如图1 所示，无人机由A 点飞向B 点，圆O1、O2 为无人机飞行高度的威胁范围，M、N 为无人机导航点。为了确定无人机导航点的位置，通常会在威胁范围之外确定一个安全圆，如图1 虚线部分所示，而后在安全圆上选定若干导航点，如图M、N 所示，使无人机绕过威胁区域。如果采用直线路径作为无人机飞行路径，导航点数量少时，将会导致飞行路线与威胁区域的交叉，使无人机处于威胁空间之中。增大安全圆的范围，可以使线段MN 避免与威胁范围交叉， 但一方面会使精细计算出的安全范围变成非最优，另一方面也有可能让两个安全圆重叠而导致可飞路径消失。

Figure 1. Straight path to avoid threats 图1. 直线路径规避威胁示意图