本文關(guān)鍵詞：基于多階段航跡預(yù)測(cè)的無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃方法研究

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【摘要】：無人機(jī)應(yīng)用中對(duì)自主性的要求越來越高,未來發(fā)展的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全自主集群控制。而無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃技術(shù)是該目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),主要包括任務(wù)分配與航跡規(guī)劃兩部分。無人機(jī)的飛行航跡取決于任務(wù)分配結(jié)果,而分配過程的任務(wù)目標(biāo)價(jià)值又與無人機(jī)的航程相關(guān),故將任務(wù)規(guī)劃過程作為整體研究更具實(shí)際意義。為此,提出了基于多階段航跡預(yù)測(cè)(Multi-Stage Path Prediction,MSPP)的無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃方法。首先,根據(jù)航跡規(guī)劃應(yīng)用中需要實(shí)現(xiàn)的功能,研究了一種MSPP算法,包括路徑估計(jì)、路徑規(guī)劃、航跡平滑、交會(huì)航跡生成四個(gè)階段。各階段的計(jì)算結(jié)果均為近似程度不同的航跡參考。以航跡航程最短作為航跡規(guī)劃的性能指標(biāo)。將無人機(jī)的禁飛區(qū)建模為多邊形。為實(shí)現(xiàn)快速性,局部A*算法使用無人機(jī)當(dāng)前位置的臨近區(qū)域內(nèi)的多邊形頂點(diǎn)作為搜索節(jié)點(diǎn),建立算法的搜索空間,并隨飛行過程不斷更新。該臨近區(qū)域可對(duì)應(yīng)為實(shí)際場(chǎng)景中的探測(cè)范圍。而為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性,全局A*算法實(shí)時(shí)進(jìn)行,并隨飛行過程不斷將探測(cè)范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)添加至搜索空間。MSPP算法原理和具體功能如下:1.路徑估計(jì)階段:在每個(gè)規(guī)劃周期開始,各無人機(jī)利用局部A*算法快速估算當(dāng)前時(shí)刻所有任務(wù)目標(biāo)相對(duì)自身航程,作為任務(wù)分配過程的主要參考;2.折線路徑規(guī)劃階段:任務(wù)分配完成后,無人機(jī)采用全局A*算法計(jì)算至指派目標(biāo)的最短折線路徑,包括探測(cè)范圍內(nèi)的真實(shí)路徑和至目標(biāo)的啟發(fā)式路徑,并隨飛行過程持續(xù)實(shí)時(shí)更新;3.航跡平滑階段:使用三次B樣條曲線同步平滑上述最短路徑,通過優(yōu)化控制點(diǎn),生成滿足約束的可飛行航跡,作為飛行過程中的航跡參考;4.交會(huì)航跡生成階段:針對(duì)交會(huì)目標(biāo),采用基于Dubins路徑的協(xié)同航跡規(guī)劃方法,生成多無人機(jī)的交會(huì)航跡。在航跡末段,用Dubins路徑替代B樣條曲線,生成參考航跡。根據(jù)無人機(jī)間航程差,近程無人機(jī)選擇航跡較短的迂回機(jī)動(dòng)或航跡較長(zhǎng)的盤旋機(jī)動(dòng)方式,以等待其他無人機(jī)完成協(xié)同執(zhí)行任務(wù)。然后,基于MSPP的路徑估計(jì)算法計(jì)算無人機(jī)至任務(wù)目標(biāo)的近似航程,從集中式和分布式兩方面展開任務(wù)分配過程。集中式分配采用改進(jìn)PSO算法,通過修改粒子結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)快速迭代尋優(yōu)。改進(jìn)粒子為無人機(jī)與各任務(wù)目標(biāo)間的分配關(guān)系,其元素為布爾型變量,相對(duì)于傳統(tǒng)PSO粒子元素的連續(xù)變化范圍,搜索空間大大減小。改進(jìn)PSO算法能以較快的計(jì)算速度收斂至全局最優(yōu)解。另一方面,鑒于集中式算法的應(yīng)用局限性,研究了基于路徑估計(jì)及聚類算法的分布式任務(wù)分配�，F(xiàn)有算法為考慮全局任務(wù)信息,一般在任務(wù)初始階段完成整個(gè)分配過程。出現(xiàn)突發(fā)目標(biāo)后,需重新分配整體任務(wù),造成計(jì)算冗余。基于聚類的任務(wù)分配過程逐周期展開,各無人機(jī)根據(jù)路徑估計(jì)結(jié)果,采用聚類算法,修改任務(wù)目標(biāo)價(jià)值向量,使無人機(jī)傾向于執(zhí)行價(jià)值總和更高的目標(biāo)集合,而不是個(gè)體價(jià)值最高的單個(gè)目標(biāo)。每個(gè)規(guī)劃周期僅分配給將完成任務(wù)的無人機(jī)一個(gè)目標(biāo),為避免陷入局部最優(yōu),其他無人機(jī)也基于當(dāng)前狀態(tài)參與虛擬分配。出現(xiàn)突發(fā)目標(biāo)則添加至下一規(guī)劃周期,可實(shí)現(xiàn)近似全局最優(yōu)的任務(wù)分配結(jié)果。最后,結(jié)合MSPP算法,根據(jù)任務(wù)分配的兩種實(shí)現(xiàn)方式,進(jìn)行了任務(wù)規(guī)劃整體結(jié)構(gòu)應(yīng)用分析。包括:無交會(huì)目標(biāo)和交會(huì)目標(biāo)兩種場(chǎng)景下,基于MSPP及改進(jìn)PSO算法的集中式任務(wù)規(guī)劃;以及無突發(fā)目標(biāo)和突發(fā)目標(biāo)時(shí),基于MSPP及聚類算法的分布式任務(wù)規(guī)劃。從應(yīng)用條件、典型適用場(chǎng)景、仿真結(jié)果和特點(diǎn)總結(jié)多方面進(jìn)行了分析,驗(yàn)證了算法的可行性和有效性。
【關(guān)鍵詞】：無人機(jī) 任務(wù)規(guī)劃 任務(wù)分配 航跡規(guī)劃 多階段航跡預(yù)測(cè) 交會(huì)航跡
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V279
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 緒論14-33
• 1.1 論文的研究背景、目的和意義14-15
• 1.2 無人機(jī)發(fā)展概述15-18
• 1.3 無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃研究概述18-23
• 1.3.1 任務(wù)規(guī)劃控制結(jié)構(gòu)18-20
• 1.3.2 任務(wù)規(guī)劃國(guó)外研究現(xiàn)狀20-21
• 1.3.3 任務(wù)規(guī)劃國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀21-23
• 1.4 無人機(jī)航跡規(guī)劃研究概述23-27
• 1.4.1 航跡規(guī)劃方法組成特性23-24
• 1.4.2 航跡規(guī)劃研究現(xiàn)狀24-26
• 1.4.3 交會(huì)航跡規(guī)劃研究現(xiàn)狀26-27
• 1.5 無人機(jī)任務(wù)分配研究概述27-30
• 1.5.1 任務(wù)分配方法組成特性27-28
• 1.5.2 任務(wù)分配研究現(xiàn)狀28-30
• 1.6 論文主要研究?jī)?nèi)容30-33
• 第2章 無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)組成及數(shù)學(xué)模型33-42
• 2.1 引言33
• 2.2 任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)組成33-35
• 2.3 無人機(jī)航跡規(guī)劃模型35-38
• 2.3.1 無人機(jī)數(shù)學(xué)模型35-36
• 2.3.2 約束條件36-38
• 2.4 無人機(jī)任務(wù)分配模型38-40
• 2.4.1 無人機(jī)航程矩陣38
• 2.4.2 任務(wù)價(jià)值函數(shù)38-39
• 2.4.3 任務(wù)分配通用目標(biāo)函數(shù)39-40
• 2.4.4 任務(wù)分配目標(biāo)函數(shù)泛化模型40
• 2.5 本章小結(jié)40-42
• 第3章 多階段航跡預(yù)測(cè)算法42-76
• 3.1 引言42-43
• 3.2 MSPP算法結(jié)構(gòu)43-47
• 3.3 基于改進(jìn)A* 算法的路徑估計(jì)及路徑規(guī)劃47-54
• 3.3.1 A* 搜索算法47-50
• 3.3.2 基于局部A* 算法的路徑估計(jì)50-53
• 3.3.3 基于全局A* 算法的路徑規(guī)劃53-54
• 3.4 基于三次B樣條曲線的航跡平滑54-58
• 3.4.1 B樣條曲線54-55
• 3.4.2 三次B樣條控制點(diǎn)優(yōu)化55-58
• 3.5 基于Dubins路徑的交會(huì)航跡生成58-68
• 3.5.1 交會(huì)方式對(duì)比59
• 3.5.2 問題描述及解決方案59-64
• 3.5.3 交會(huì)機(jī)動(dòng)方式及機(jī)動(dòng)距離的確定64-68
• 3.6 仿真分析68-74
• 3.6.1 無交會(huì)目標(biāo)航跡規(guī)劃仿真分析68-71
• 3.6.2 交會(huì)協(xié)同航跡規(guī)劃仿真分析71-74
• 3.7 本章小結(jié)74-76
• 第4章 多階段航跡預(yù)測(cè)與任務(wù)分配方法76-96
• 4.1 引言76
• 4.2 基于PSO算法的任務(wù)分配76-79
• 4.2.1 PSO算法概述76-78
• 4.2.2 改進(jìn)PSO算法78-79
• 4.3 分布式任務(wù)分配方法79-88
• 4.3.1 基于聚類算法的分布式任務(wù)分配80-81
• 4.3.2 基于布爾網(wǎng)絡(luò)拍賣任務(wù)分配算法81-88
• 4.4 仿真分析88-95
• 4.4.1 MSPP對(duì)任務(wù)分配性能影響分析89-92
• 4.4.2 基于改進(jìn)PSO與基于聚類的任務(wù)分配性能分析92-93
• 4.4.3 BNAA任務(wù)分配算法仿真分析93-95
• 4.5 本章小結(jié)95-96
• 第5章 基于多階段航跡預(yù)測(cè)任務(wù)規(guī)劃的應(yīng)用分析96-114
• 5.1 引言96
• 5.2 基于MSPP的任務(wù)規(guī)劃結(jié)構(gòu)及應(yīng)用假設(shè)96-99
• 5.2.1 任務(wù)規(guī)劃結(jié)構(gòu)組成96-98
• 5.2.2 應(yīng)用假設(shè)條件及仿真參數(shù)98-99
• 5.3 針對(duì)集中式控制場(chǎng)景MSPP及改進(jìn)PSO任務(wù)規(guī)劃應(yīng)用分析99-105
• 5.3.1 應(yīng)用假設(shè)及適用場(chǎng)景99-100
• 5.3.2 無交會(huì)目標(biāo)場(chǎng)景仿真100-101
• 5.3.3 交會(huì)目標(biāo)場(chǎng)景仿真101-103
• 5.3.4 仿真結(jié)果分析103-104
• 5.3.5 應(yīng)用特點(diǎn)總結(jié)104-105
• 5.4 針對(duì)分布式控制場(chǎng)景MSPP及聚類算法的任務(wù)規(guī)劃應(yīng)用分析105-111
• 5.4.1 應(yīng)用假設(shè)及適用場(chǎng)景105-106
• 5.4.2 確定目標(biāo)場(chǎng)景仿真106-107
• 5.4.3 突發(fā)目標(biāo)場(chǎng)景仿真107-108
• 5.4.4 仿真結(jié)果分析108-110
• 5.4.5 應(yīng)用特點(diǎn)總結(jié)110-111
• 5.5 本章小結(jié)111-114
• 結(jié)論114-116
• 參考文獻(xiàn)116-126
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果126-128
• 致謝128-129
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷129

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1 辛健成;美國(guó)海軍無人機(jī)發(fā)展歷程[J];機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用;2000年05期

2 時(shí)兆峰;以色列組建專門的無人機(jī)管理部門[J];飛航導(dǎo)彈;2001年10期

3 徐文;俄羅斯的無人機(jī)系統(tǒng)——格蘭特[J];飛航導(dǎo)彈;2003年07期

4 何一波;各國(guó)使用的主要輕型無人機(jī)[J];飛航導(dǎo)彈;2003年11期

5 馬曉平;系統(tǒng)工程學(xué)在無人機(jī)研制中的應(yīng)用[J];航空科學(xué)技術(shù);2003年04期

6 柯邊;“影子200”戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)[J];航天電子對(duì)抗;2003年06期

7 溫羨嶠,李英;從美國(guó)無人機(jī)的發(fā)展來看無人機(jī)在未來戰(zhàn)爭(zhēng)中的應(yīng)用前景[J];現(xiàn)代防御技術(shù);2003年05期

8 王永壽;日本無人機(jī)的研究開發(fā)現(xiàn)狀與動(dòng)向[J];飛航導(dǎo)彈;2003年08期

9 袁剛輝;徐志紅;;不斷壯大的俄羅斯無人機(jī)家族[J];現(xiàn)代兵器;2003年02期

10 徐文;俄羅斯無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀[J];飛航導(dǎo)彈;2004年02期

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1 王林;張慶杰;朱華勇;沈林成;;遠(yuǎn)程異地多無人機(jī)系統(tǒng)控制權(quán)切換技術(shù)研究[A];2009中國(guó)控制與決策會(huì)議論文集（3）[C];2009年

2 譚健美;張琚;閆娟;;信息無人機(jī)系統(tǒng)——無人機(jī)發(fā)展史上新的里程碑[A];第二屆中國(guó)航空學(xué)會(huì)青年科技論壇文集[C];2006年

3 黃愛鳳;鄧克緒;;民用無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[A];第九屆長(zhǎng)三角科技論壇——航空航天科技創(chuàng)新與長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展分論壇論文集[C];2012年

4 劉長(zhǎng)亮;;無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)氣道開度自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[A];2009年中國(guó)智能自動(dòng)化會(huì)議論文集（第三分冊(cè)）[C];2009年

5 丁霖;;無人機(jī)系統(tǒng)人機(jī)交互界面淺析[A];探索 創(chuàng)新 交流（第4集）——第四屆中國(guó)航空學(xué)會(huì)青年科技論壇文集[C];2010年

6 劉澤坤;呂繼淮;;艦載無人機(jī)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性[A];人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)工程創(chuàng)立20周年紀(jì)念大會(huì)暨第五屆全國(guó)人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2001年

7 葉烽;宋祖勛;;無人機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性測(cè)試研究[A];第十四屆全國(guó)電磁兼容學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2004年

8 易當(dāng)祥;呂國(guó)志;沈玲玲;;多級(jí)路況下車載無人機(jī)疲勞載荷仿真[A];第十二屆全國(guó)疲勞與斷裂學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2004年

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10 高鵬騏;晏磊;趙紅穎;何定洲;;無人機(jī)遙感控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[A];第十五屆全國(guó)遙感技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文摘要集[C];2005年

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1 洪山;法國(guó)、德國(guó)和西班牙簽約共同研發(fā)三國(guó)無人機(jī)系統(tǒng)[N];中國(guó)航空?qǐng)?bào);2007年

2 崔璽康;對(duì)抗無人機(jī)所面臨的新挑戰(zhàn)[N];中國(guó)航空?qǐng)?bào);2007年

3 林英;無人機(jī)將進(jìn)入現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[N];光明日?qǐng)?bào);2007年

4 本報(bào)記者 陳永杰　馬佳;中國(guó)無人機(jī)亮相：戰(zhàn)爭(zhēng)“零傷亡”將實(shí)現(xiàn)[N];北京科技報(bào);2008年

5 祖茜楓;“綜合者”：攜帶小導(dǎo)彈的小無人機(jī)[N];中國(guó)國(guó)防報(bào);2008年

6 王磊;印度期望打造強(qiáng)大無人機(jī)部隊(duì)[N];學(xué)習(xí)時(shí)報(bào);2009年

7 李荔;無人機(jī)“俯瞰”黃河災(zāi)情[N];北京科技報(bào);2011年

8 本報(bào)記者 宋斌斌;我國(guó)無人機(jī)應(yīng)用高端化趨勢(shì)明顯[N];中國(guó)工業(yè)報(bào);2011年

9 吳飛;反恐十年無人機(jī)扶搖直上[N];中國(guó)航空?qǐng)?bào);2011年

10 司古;美無人機(jī)遭神秘病毒入侵[N];國(guó)防時(shí)報(bào);2011年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 劉洋;動(dòng)態(tài)環(huán)境中的無人機(jī)路徑規(guī)劃研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2015年

2 高九州;無人機(jī)自主著陸控制[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2016年

3 楊永明;無人機(jī)遙感系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取與處理關(guān)鍵技術(shù)研究[D];昆明理工大學(xué);2016年

4 孫小雷;基于多階段航跡預(yù)測(cè)的無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

5 陳巖;蟻群優(yōu)化理論在無人機(jī)戰(zhàn)術(shù)控制中的應(yīng)用研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2007年

6 林林;基于協(xié)同機(jī)制的多無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃研究[D];北京郵電大學(xué);2013年

7 劉春陽(yáng);無人機(jī)隱身技術(shù)若干問題研究[D];西安電子科技大學(xué);2012年

8 王小剛;非線性濾波方法在無人機(jī)相對(duì)導(dǎo)航上的應(yīng)用研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

9 黃國(guó)勇;變推力軸線無人機(jī)飛行控制技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

10 鄭維剛;基于無人機(jī)紅外影像技術(shù)的配電網(wǎng)巡檢系統(tǒng)研究[D];沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué);2014年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 趙敏;分布式多類型無人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配研究及仿真[D];南京理工大學(xué);2009年

2 劉志花;無人機(jī)故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)研究[D];北京化工大學(xué);2010年

3 劉愛兵;可變形無人機(jī)設(shè)計(jì)[D];南京航空航天大學(xué);2009年

4 易姝姝;無人機(jī)飛行場(chǎng)景及數(shù)據(jù)的可視化仿真與實(shí)現(xiàn)[D];電子科技大學(xué);2010年

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10 張錫憲;無人機(jī)測(cè)控中數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];電子科技大學(xué);2009年

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