本发明属于无人机路径规划，尤其涉及一种有球形外壳的四旋翼无人机及加入碰撞反弹的球形无人机路径规划方法。
背景技术：
1、无人机路径规划是无人机自主飞行的重要组成部分，其目的是在给定起点和终点的情况下，寻找一条最优路径，使得无人机能够安全、快速地到达目标位置。传统的无人机路径规划算法通常基于避障、最短路径等原则，忽略了在某些情况下，利用碰撞可以减少飞行时间，提高飞行效率的可能性。
2、在无人机路径规划中，急转弯处是最耗费时间和能量的部分之一。急转弯处需要经历减速再加速，为了减少急转弯处的飞行时间，引入了碰撞的思路，即在路径规划过程中，允许无人机在某些特定情况下与障碍物发生轻微的碰撞，以利用碰撞产生的反作用力改变无人机的飞行方向，从而实现更快速的转弯。然而，如何在保证安全的前提下，有效地利用碰撞进行路径规划，仍是当前亟待解决的问题。
技术实现思路
1、本发明目的在于提供一种有球形外壳的四旋翼无人机及加入碰撞反弹的球形无人机路径规划方法，以解决上述的技术问题。
2、为了解决球形无人机路径规划中，在急转弯时需要减速再加速，增大无人机飞行时间的问题，本发明设计了一种加入碰撞的无人机路径规划方法，达到可以利用碰撞快速转弯，减少飞行时间的效果。它由两个核心部分组成：1)利用线性二次最小时间生成运动基元；2)碰撞检测和碰撞轨迹的变形。本发明的第一个核心部分基于krrt*算法和在采样点中构建时间最优的bvp(optimal boundary value problem)改进，但它在以下方面有所不同：1)我们同时考虑平滑性和时间成本，旨在利用碰撞感知规划的潜在时间节省；2)我们同时维护碰撞利用和无碰撞的轨迹，以促进关于碰撞的自主决策。本发明的第二个核心部分是直接在点云地图上计算出一个仅含障碍物表面的点云，在该点云上进行碰撞检测和碰撞轨迹的变形。
3、本发明的一种有球形外壳的四旋翼无人机及加入碰撞反弹的球形无人机路径规划方法的具体技术方案如下：
4、一种有球形外壳的四旋翼无人机，包括连接装置、球形外壳、机载主机、四旋翼无人机本体和无源压电传感器，所述连接装置固定安装在四旋翼无人机本体的四旋翼支架上，支撑整个球形外壳，所述四旋翼无人机本体通过连接装置安装在球形外壳内，所述机载主机安装在四旋翼无人机本体上，所述无源压电传感器埋在球形外壳的线路中，通过导线将信号传递回采集电路中，再使用串口将数据传回机载主机的ros系统中，分析信号，检测四旋翼无人机本体感知到的碰撞。
5、本发明还公开了一种有球形外壳的四旋翼无人机的加入碰撞反弹的球形无人机路径规划方法，包括如下步骤：
6、步骤1：采用带碰撞采样和运动学的krrt*算法进行轨迹搜索；
7、步骤2：在障碍物表面进行点云地图采样；
8、步骤3：建立碰撞前后速度改变的模型；
9、步骤4：引入碰撞感知进行轨迹生成。
10、进一步的，所述步骤1每个采样点包含无人机的状态s，其中包括xyz三个方向上的位置p、速度v和加速度a，在采样的过程中，加入了对障碍物表面的采样，便于在碰撞前的瞬间引入状态s，利用庞特里亚金极小值原理和汉密尔顿方程，计算两节点间的时间最优轨迹。
11、进一步的，所述步骤2：在全局地图上直接提取障碍物表面点，组成新的点云地图，专为碰撞点采样服务；在采样点连接时出现碰撞点，启发性的指定下一个采样点；
12、在krrt*算法中，如果两个节点连接且计算出的轨迹经过障碍物，则丢弃该连接，为了增加更多对障碍表面的采样，krrt*保留当前连接中，轨迹首次碰撞到障碍物表面时刻的位置p、速度v、加速度a、状态s，作为下一个采样点，不会连续采样同一个采样点三次。
13、进一步的，所述步骤3使用简化后的经典力学模型，规定碰撞点位置不变，速度分为法向速度和切向速度分别计算，碰撞后的加速度a设置为0，根据经典力学建立无人机碰撞前后的速度关系，首先，设置无人机的位置p在碰撞前后不发生瞬时变化，然后将碰撞前速度分为两个部分：垂直于碰撞点表面的切平面的速度vc和平行于碰撞点表面的切平面的速度vp，垂直于障碍物表面的碰撞被认为是非弹性碰撞，其中动能损失比例为c％，平行于碰撞切平面的速度分量，考虑摩擦来消耗动能的p％，把碰撞前后的速度关系简化为：
14、
15、其中vc’和vp’分别表示垂直和平行于碰撞面两分量碰撞后的速度。进一步的，所述步骤4数据采集模块通过使用butterworth算法对采集到的数据进行高通滤波，去除了高频抖动，其包含以下计算方法：
16、该算法同时探索两条轨迹，有碰撞和无碰撞，无碰撞的轨迹探索与传统的krrt*算法无异，利用此轨迹与有碰撞的轨迹进行比较，确定最终的无人机执行轨迹，障碍物表面的每个采样点记录碰撞前的瞬时飞行状态spre和采集后的飞行状态spost，当一个样本点连接到另一个样本点时，用碰撞前的状态spre来计算，spre是碰撞前的最后一条轨迹的最后一个状态，同理，当其他点与采样点相连时，计算碰撞后状态spost，它是碰撞后的第一条轨迹的第一个状态，完整轨迹中只有一个碰撞点。
17、本发明的一种有球形外壳的四旋翼无人机及加入碰撞反弹的球形无人机路径规划方法具有以下优点：
18、(1)通过在路径规划过程中引入碰撞，可以利用碰撞产生的反作用力改变无人机的飞行方向，从而实现更快速的转弯，减少急转弯处的飞行时间，提高飞行效率。
19、(2)本发明的算法在保证安全的前提下，有效地利用碰撞进行路径规划，避免了传统的无人机路径规划算法中需要绕路或者需要长时间调整姿态的问题。
20、(3)本发明的算法可以减少无人机的能量消耗，延长无人机的续航时间，从而提高无人机的续航能力。
21、(4)本发明的算法可以应用于各种无人机应用场景，例如环境监测、搜救救援、军事侦察等领域，提高了无人机的工作效率和响应速度。
22、(5)本发明的算法可以为我国的无人机技术领域的发展做出贡献。
1.一种有球形外壳的四旋翼无人机，其特征在于，包括连接装置(1)、球形外壳(2)、机载主机(3)、四旋翼无人机本体(4)和无源压电传感器(5)，所述连接装置(1)固定安装在四旋翼无人机本体(4)的四旋翼支架上，支撑整个球形外壳(2)，所述四旋翼无人机本体(4)通过连接装置(1)安装在球形外壳(2)内，所述机载主机(3)安装在四旋翼无人机本体(4)上，所述无源压电传感器(5)埋在球形外壳(2)的线路中，通过导线将信号传递回采集电路中，再使用串口将数据传回机载主机(3)的ros系统中，分析信号，检测四旋翼无人机本体(4)感知到的碰撞。
2.一种如权利要求1所述的有球形外壳的四旋翼无人机的加入碰撞反弹的球形无人机路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的加入碰撞反弹的球形无人机路径规划方法，其特征在于，所述步骤1每个采样点包含无人机的状态s，其中包括xyz三个方向上的位置p、速度v和加速度a，在采样的过程中，加入了对障碍物表面的采样，便于在碰撞前的瞬间引入状态s，利用庞特里亚金极小值原理和汉密尔顿方程，计算两节点间的时间最优轨迹。
4.根据权利要求2所述的加入碰撞反弹的球形无人机路径规划方法，其特征在于，所述步骤2：在全局地图上直接提取障碍物表面点，组成新的点云地图，专为碰撞点采样服务；在采样点连接时出现碰撞点，启发性的指定下一个采样点；
5.根据权利要求2所述的加入碰撞反弹的球形无人机路径规划方法，其特征在于，所述步骤3使用简化后的经典力学模型，规定碰撞点位置不变，速度分为法向速度和切向速度分别计算，碰撞后的加速度a设置为0，根据经典力学建立无人机碰撞前后的速度关系，首先，设置无人机的位置p在碰撞前后不发生瞬时变化，然后将碰撞前速度分为两个部分：垂直于碰撞点表面的切平面的速度vc和平行于碰撞点表面的切平面的速度vp，垂直于障碍物表面的碰撞被认为是非弹性碰撞，其中动能损失比例为c％，平行于碰撞切平面的速度分量，考虑摩擦来消耗动能的p％，把碰撞前后的速度关系简化为：
6.根据权利要求2所述的加入碰撞反弹的球形无人机路径规划方法，其特征在于，所述步骤4数据采集模块通过使用butterworth算法对采集到的数据进行高通滤波，去除了高频抖动，其包含以下计算方法：
