【摘要】：未來戰(zhàn)爭中,無人機(jī)將發(fā)揮越來越重要的作用。面對(duì)日益復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境,多UCAV協(xié)同作戰(zhàn)必將成為未來UCAV作戰(zhàn)的主要方式。多UCAV協(xié)同航路規(guī)劃是多UCAV任務(wù)規(guī)劃的重要組成部分,是保障多UCAV有效協(xié)同作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù),對(duì)提高多UCAV協(xié)同作戰(zhàn)效能有重要意義。本文針對(duì)多UCAV協(xié)同作戰(zhàn)航路規(guī)劃問題進(jìn)行研究,主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)包括:(1)針對(duì)大規(guī)模地圖環(huán)境中路徑規(guī)劃的算法效率問題,分析討論了傳統(tǒng)A*算法在大規(guī)模地圖上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量規(guī)模爆炸現(xiàn)象,引入路徑平衡性概念,設(shè)計(jì)了基于平衡性消解思想的矩形擴(kuò)展A*算法。通過采用線狀搜索節(jié)點(diǎn)和矩形擴(kuò)展單元,大大減少了算法搜索和訪問的節(jié)點(diǎn)數(shù)量,提高了算法效率。給出了新算法的最優(yōu)性證明,采用丹佛大學(xué)的Grid Based Path Planning Competition國際比賽的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集進(jìn)行了仿真測(cè)試,并與幾種先進(jìn)的A*改進(jìn)算法進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,無需任何離線地圖預(yù)處理,在保持完備性和最優(yōu)性的基礎(chǔ)上,新算法的搜索速度比A*算法提高一個(gè)數(shù)量級(jí),且提升效果隨問題規(guī)模擴(kuò)大而增強(qiáng),非常適合基于大規(guī)模數(shù)字柵格地圖的UCAV作戰(zhàn)航路規(guī)劃。(2)針對(duì)多UCAV協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)的多樣性和復(fù)雜性,討論了UCAV幾種典型作戰(zhàn)需求下的航路規(guī)劃問題以及現(xiàn)有處理技術(shù)。針對(duì)UCAV航路規(guī)劃過程中的路徑質(zhì)量優(yōu)化問題,提出了單邊矩形擴(kuò)展A*算法,采用單邊受迫擴(kuò)展規(guī)則,進(jìn)一步縮短路徑長度,減少冗余的相鄰路徑點(diǎn),避免不必要的轉(zhuǎn)折,優(yōu)化路徑質(zhì)量。針對(duì)帶時(shí)間門限航路規(guī)劃問題,提出了Anytime矩形擴(kuò)展A*算法,將規(guī)劃過程分為可行解快速搜索和最優(yōu)解收斂兩個(gè)階段,提高時(shí)間門限約束下的航路規(guī)劃能力。針對(duì)UCAV轉(zhuǎn)彎限制和航路起始/目標(biāo)角約束等問題,提出了方向約束矩形擴(kuò)展A*算法,將矩形擴(kuò)展框架和定向擴(kuò)展技術(shù)相結(jié)合,提高方向約束問題的規(guī)劃效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相比于現(xiàn)有技術(shù),新算法能夠更好的處理相應(yīng)作戰(zhàn)需求下的航路規(guī)劃問題。(3)針對(duì)多UCAV協(xié)同作戰(zhàn)飛行計(jì)劃規(guī)劃問題,給出了考慮戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境不確定性的UCAV飛行計(jì)劃的時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)期望指標(biāo)、安全時(shí)間冗余指標(biāo)和飛行計(jì)劃效能評(píng)估指標(biāo),構(gòu)建了基于戰(zhàn)場(chǎng)不確定性的多UCAV協(xié)同作戰(zhàn)飛行計(jì)劃規(guī)劃的優(yōu)化問題模型,并從協(xié)同作戰(zhàn)效能最大化角度,給出了基于多階段分解的多UCAV飛行計(jì)劃規(guī)劃流程。設(shè)計(jì)了基于矩形單元縱向信息傳播機(jī)制的UCAV三維航路規(guī)劃方法和UCAV作戰(zhàn)約束處理方法。設(shè)計(jì)了基于混合非均勻調(diào)節(jié)的多UCAV時(shí)間/空間協(xié)同機(jī)制,將末端機(jī)動(dòng)調(diào)節(jié)與非均勻速度調(diào)節(jié)相結(jié)合,擴(kuò)大了調(diào)節(jié)范圍和調(diào)節(jié)精度,提高了UCAV動(dòng)態(tài)作戰(zhàn)效能;設(shè)計(jì)了多UCAV飛行計(jì)劃生成方法和基于安全冗余的動(dòng)態(tài)調(diào)整方法。(4)開發(fā)了多UCAV協(xié)同作戰(zhàn)航路規(guī)劃仿真系統(tǒng)軟件,設(shè)計(jì)了UCAV航路規(guī)劃、多UCAV時(shí)空協(xié)同和編隊(duì)UCAV飛行計(jì)劃生成/動(dòng)態(tài)調(diào)整的仿真實(shí)驗(yàn),通過算例仿真和演示,并與現(xiàn)有方法進(jìn)行對(duì)比分析和討論,驗(yàn)證了論文提出的UCAV航路規(guī)劃算法、多UCAV時(shí)間/空間協(xié)同機(jī)制和多UCAV飛行計(jì)劃生成/動(dòng)態(tài)調(diào)整方法的可行性和有效性。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：E91;V279
【圖文】：

圖 1-1 多 UCAV 協(xié)同作戰(zhàn)效果示意圖多 UCAV 協(xié)同任務(wù)規(guī)劃是一個(gè)典型的強(qiáng)耦合、多約束、高復(fù)雜的優(yōu)化與決策問題以直接進(jìn)行整體求解[10]。目前國內(nèi)外研究中大多采用了分層遞階的思路[11][12]，將CAV 協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)規(guī)劃問題解耦分解為若干不同層次的子問題，以降低問題難度，文主要研究多 UCAV 協(xié)同作戰(zhàn)的航路規(guī)劃問題。多 UCAV 協(xié)同航路規(guī)劃是多 UCAV 任務(wù)規(guī)劃的重要組成部分，是保障多 UCAV協(xié)同作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)。狹義的 UCAV 航路規(guī)劃是指在特定環(huán)境空間中，找出從初始目標(biāo)點(diǎn)的可行航跡（或航路點(diǎn)序列），滿足 UCAV 飛行性能約束和安全性要求，并戰(zhàn)指標(biāo)最佳。對(duì)于執(zhí)行協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)的 UCAV，還需要考慮 UCAV 作戰(zhàn)載荷的使用和協(xié)同任務(wù)的時(shí)間/空間約束關(guān)系。近年來，隨著多 UCAV 協(xié)同控制技術(shù)的發(fā)展，UC群規(guī)模不斷擴(kuò)大。為減輕操作員負(fù)擔(dān)，并提高在復(fù)雜電磁環(huán)境下作戰(zhàn)能力，多 UC同作戰(zhàn)對(duì) UCAV 自主能力等級(jí)也提出了更高的要求。在此背景下，UCAV 協(xié)同航路的內(nèi)涵也被大大拓展，目前很多研究中，UCAV 協(xié)同航路規(guī)劃已經(jīng)不僅僅滿足于航航路點(diǎn)序列的生成，而是涵蓋了編隊(duì) UCAV 飛行計(jì)劃制定的完整過程，即根據(jù)任務(wù)結(jié)果（任務(wù)目標(biāo)分配表和任務(wù)參數(shù)），為編隊(duì) UCAV 制定合理的飛行計(jì)劃，并滿足

西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文和雷神公司，2016 年初已完成第一階段�！暗统杀緹o人機(jī)集群技術(shù)”（Low-Cost UAVSwarming Technology，LOCUST）是美國海軍研究局（ONR）聯(lián)合喬治亞州理工大學(xué)開展的 UCAV 研究項(xiàng)目[18][19]，該項(xiàng)目采用可從發(fā)射管直接發(fā)射起飛的「北美狼」無人機(jī)（Coyote drone）。這種無人機(jī)續(xù)航能力在一小時(shí)左右，時(shí)速可達(dá)每小時(shí) 145 公里，重量不超過 6 公斤，可以從軍艦、傳統(tǒng)車輛、飛機(jī)等平臺(tái)上快速發(fā)射和部署。多架 UCAV 之間通過去中心化、自主化和自治化的分布式控制結(jié)構(gòu)，在協(xié)同算法的控制下執(zhí)行“蜂群戰(zhàn)術(shù)，完成區(qū)域偵察和協(xié)同突防等作戰(zhàn)任務(wù)，該項(xiàng)目已于 2016 年 4 月實(shí)現(xiàn)了 30 架 UCAV的編隊(duì)飛行試驗(yàn)。

第一章 緒論24][25]，采用分層遞階結(jié)構(gòu)解決 UCAV 偵察/打擊一體化問題中的編隊(duì)內(nèi)任務(wù)協(xié)調(diào)、UCAV 航跡規(guī)劃和 UCAV 軌跡控制等子問題，并在協(xié)同得了良好的效果。此外，歐盟的多異構(gòu)無人機(jī)實(shí)時(shí)協(xié)同和控制項(xiàng)目ion and Control of Multiple Heterogeneous Unmanned Aeria)[26]和空中機(jī)器人協(xié)同裝配系統(tǒng)項(xiàng)目(Aerial Robotics CooperativeRCAS)[27]、澳大利亞研究中心的自主導(dǎo)航和環(huán)境感知研究項(xiàng)目(n and Sensing Experimental Research, ANSER)也取得了不少成果[6][28]

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本文編號(hào)：2786236