隨著無人飛行系統(tǒng)越來越多地被用來執(zhí)行各種軍事任務,為了使其適應更復雜多變的任務環(huán)境,需要提高無人飛行系統(tǒng)的自主任務分配與規(guī)劃能力。多無人飛行器任務規(guī)劃技術作為自主控制、運籌學、人工智能領域的研究前沿,是決定系統(tǒng)自主決策能力的關鍵技術。而包含無人飛行器、目標/任務、飛行環(huán)境的復雜軍事任務普遍存在動態(tài)性和不確定性,為了滿足典型軍事任務對無人飛行系統(tǒng)的自主決策、任務分配、航跡規(guī)劃、軌跡跟蹤控制等技術提出的新挑戰(zhàn)和新要求,本文對多無人飛行器的任務分配技術、航跡規(guī)劃技術、軌跡跟蹤控制技術和一體化任務規(guī)劃技術等關鍵技術進行了深入研究。主要研究內(nèi)容包括:為了借助數(shù)學或數(shù)值仿真的方法進行多無人飛行器的任務規(guī)劃相關技術研究,首先基于混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)建立了任務規(guī)劃問題的一般模型,考慮到包含多飛行器的任務空間普遍具有動態(tài)性和不確定性,對相應的任務規(guī)劃問題進行復雜度分析、特性分析和對應需要滿足的約束條件分析,當任務復雜度較高時,采用了分層解耦的簡化方法,將任務規(guī)劃問題分解為任務分配和航跡規(guī)劃兩個子問題獨立求解;同時,對分布式規(guī)劃架構和集中式規(guī)劃架構進行了優(yōu)缺點分析,確定并采用分布式規(guī)劃架構完成任務的分配與航跡的生成,并建立了分布式任務規(guī)劃模型;此外,為了驗證規(guī)劃結(jié)果的可行性和優(yōu)劣性,設計了以規(guī)劃結(jié)果最優(yōu)性和規(guī)劃過程快速性作為指標的評估準則�；诮⒌姆植际饺蝿找�(guī)劃模型以及分層解耦方法,在任務分配層,設計了一種基于一致性協(xié)調(diào)算法的分布式任務分配方法,在任務層完成各無人飛行器間的一致協(xié)調(diào)與沖突調(diào)解,可有效地避免分布式規(guī)劃過程中的通信鏈路消耗。針對任務場景的動態(tài)時變性、通信鏈路局限性、不確定性,完成算法的三處改進,首先,將時間量加入到優(yōu)化目標函數(shù)中,使算法適應任務空間的動態(tài)時變性;其次,采用局部通信鏈路機制,在通信鏈路具有局限性的條件下,保證各無人飛行器間的通信連通性,此外,采用貝葉斯定理,將任務空間的連續(xù)/離散不確定量用任務收益值量化描述,完成對不確定量的估計,使算法適應任務空間的不確定性;并結(jié)合SEAD(Suppression of Enemy Air Defences)任務實例,設計了基于一致性協(xié)調(diào)算法的在線協(xié)同策略,將具有偵察屬性的無人機和具有攻擊屬性的無人機同時分配,提升了規(guī)劃結(jié)果的最優(yōu)性。在航跡規(guī)劃層,為了獲得滿足無人機動力學約束、環(huán)境約束的平滑航跡,同時,需要消除由于任務分配層的等效航跡與航跡規(guī)劃層得出的平滑航跡的固有偏差造成的“死鎖”問題,并提高航跡規(guī)劃問題求解的收斂效率,研究了基于并行A*和Dubins路徑的航跡規(guī)劃算法,一方面,通過增加無人飛行器在目標位置處的等待圓的方法,消除“死鎖”問題,另一方面,設計基于Dubins路徑的無人飛行器避障方法;該航跡規(guī)劃算法能夠快速生成平滑航跡。此外,建立完整的無人機六自由度模型,并基于矢量場制導方法實現(xiàn)對規(guī)劃航跡的跟蹤控制,驗證規(guī)劃航跡的可飛性。最后,充分考慮任務分配與航跡規(guī)劃問題的耦合效應,對一體化任務規(guī)劃問題的可行性進行了探索。以多異構無人機協(xié)同執(zhí)行SEAD任務為背景,基于圖論和Dubins Car模型建立了包括任務分配信息和航跡信息的一體化任務規(guī)劃模型,采用分布式遺傳算法,通過設計包含任務分配信息和航跡信息的多類型基因編碼方式、初始化、交叉、變異等遺傳算子,實現(xiàn)了相對簡單的任務場景的一體化任務規(guī)劃問題求解,并通過仿真對比分析,證明了本文算法求解一體化任務規(guī)劃問題的可行性、快速性以及相對分層解耦方法的優(yōu)勢。本文主要對多無人飛行器任務規(guī)劃相關技術進行了探索和改進。相關研究成果可對多無人飛行器的任務決策、任務分配、航跡規(guī)劃問題的求解提供有效參考,并有利于推動無人飛行系統(tǒng)在復雜軍事任務中的使用,具有重要的理論研究意義和工程應用價值。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：V279;V249
【部分圖文】：

第 1 章 緒論第 1章 緒 論景與意義行器系統(tǒng)越來越多地被用來執(zhí)行各種復雜任務，包括情]、自然災害救援任務[3]、搜索與營救任務[4]、森林滅火[5]、，為了使其適應更復雜多變的任務環(huán)境，需要提高無人。-1 的 ISR（Intelligence, Surveillance, Reconnaissance：情例，詳細呈現(xiàn)了典型軍事任務的系統(tǒng)組成及其主要特點。

圖 1-2 集中式與分布式規(guī)劃架構[8]Fig. 1-2 the centralized and distributed planning architecture[8] 集中式規(guī)劃中式規(guī)劃系統(tǒng)主要由中心控制單元（一般為地面站系統(tǒng)），UAV 和通中心控制單元主要完成各 UAV 的信息接收和融合，然后為每個 U列，最后通過通信鏈路將規(guī)劃結(jié)果傳遞至 UAV 單元。受限于集中信鏈路具有較高的帶寬，且規(guī)劃系統(tǒng)對動態(tài)環(huán)境的響應較慢，這就劃系統(tǒng)的整體效能。有的集中式任務規(guī)劃問題主要包括任務規(guī)劃建模與問題求解兩部分任務規(guī)劃模型和求解算法進行研究現(xiàn)狀分析。1）集中式任務規(guī)劃建模內(nèi)外對任務規(guī)劃問題的研究已經(jīng)有了很長一段時間[17,18,19,20,21,22]，傳包括將任務規(guī)劃問題表述為經(jīng)典的多旅行商問題（TSPs：Traveling s）、車輛路由問題（VRPs：Vehicle Routing Problems）問題、網(wǎng)絡NFO：Network Flow Optimization）、多處理器資源分配問題（rocessor Resources Allocation）等；隨著線性規(guī)劃在任務規(guī)劃技術中

圖 2-2 無法按照規(guī)定時間到達指定任務點的不確定情況示意圖Fig. 2-2 In the uncertain situation where it is not possible to reach the designated mission point inaccordance with the specified time如上圖所示的任務執(zhí)行過程的不確定性，即任務未在規(guī)定的時間窗口被 UAV執(zhí)行，這一情況對于 UAV 常見的任務類型而言，基本可以宣告任務失敗。以圖 2-2 為例，造成任務執(zhí)行時間延遲的原因有：1）UAV 自身狀態(tài)的不確定性；2）由于任務空間存在的不確定性造成的規(guī)劃結(jié)果不能適用于當前實際的任務場景。所以，不確定量之間還存在著相互影響和耦合作用。由上述分析可知，任務空間的不確定性主要包括三種類型：1）連續(xù)不確定量，如目標/任務的位置、速度、目標/任務的收益值等；2）離散不確定量，如目標/任務的優(yōu)先級、目標/任務的類型等；3）不確定量之間的相互耦合。這些不確定因素難以量化表示，這就極大地增加了問題求解的難度。對于式(2-11)描述的任務規(guī)劃問題，不確定因素會直接影響任務的效益值，即 的不確定性，所以，為了避免對不確定量θ進行量化，本文采用最大化效益期望值[30]的方法，將式(2-11)的優(yōu)化目標寫為： max ( ( ) , , )u tN N d R P d θ G
【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 沈林成;陳璟;王楠;;飛行器任務規(guī)劃技術綜述[J];航空學報;2014年03期

相關博士學位論文 前10條

1 趙明;多無人機系統(tǒng)的協(xié)同目標分配和航跡規(guī)劃方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

2 鄧啟波;多無人機協(xié)同任務規(guī)劃技術研究[D];北京理工大學;2014年

3 蘇菲;動態(tài)環(huán)境下多UCAV分布式在線協(xié)同任務規(guī)劃技術研究[D];國防科學技術大學;2013年

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5 張慶杰;基于一致性理論的多UAV分布式協(xié)同控制與狀態(tài)估計方法[D];國防科學技術大學;2011年

6 李遠;多UAV協(xié)同任務資源分配與編隊軌跡優(yōu)化方法研究[D];國防科學技術大學;2011年

7 霍霄華;多UCAV動態(tài)協(xié)同任務規(guī)劃建模與滾動優(yōu)化方法研究[D];國防科學技術大學;2007年

8 田菁;多無人機協(xié)同偵察任務規(guī)劃問題建模與優(yōu)化技術研究[D];國防科學技術大學;2007年

9 龍濤;多UCAV協(xié)同任務控制中分布式任務分配與任務協(xié)調(diào)技術研究[D];國防科學技術大學;2006年

10 葉媛媛;多UCAV協(xié)同任務規(guī)劃方法研究[D];國防科學技術大學;2005年

相關碩士學位論文 前1條

1 張煜;戰(zhàn)術飛機飛行任務規(guī)劃中不確定性因素處理方法研究[D];國防科學技術大學;2006年

本文編號：2872014