隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,無人機(jī)在軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都發(fā)展迅速。無人機(jī)路徑規(guī)劃是無人機(jī)協(xié)同控制的核心,而單無人機(jī)難以獨立完成日益復(fù)雜的任務(wù),因此研究多無人機(jī)協(xié)同路徑規(guī)劃具有非常重要的意義。首先,本文概述了無人機(jī)路徑規(guī)劃相關(guān)理論,給出了單無人機(jī)和多無人機(jī)協(xié)同路徑規(guī)劃的一種形式化的描述方法,并介紹了無人機(jī)路徑規(guī)劃的約束條件、環(huán)境建模方法以及幾種常用的路徑規(guī)劃方法。其次,本文介紹了蟻群算法和群居蜘蛛優(yōu)化算法的基本原理和算法流程,針對經(jīng)典蟻群算法在無人機(jī)航跡規(guī)劃問題中存在的缺點,提出了兩種改進(jìn)方法。第一種改進(jìn)方法是在蟻群算法中加入引導(dǎo)因子,加強(qiáng)了螞蟻搜索活動的目的性,使算法可以更快的找到可行解。第二種改進(jìn)方法將群居蜘蛛優(yōu)化算法融合到傳統(tǒng)蟻群算法中,給出了蟻群算法中一種新的更新信息素的方法。最后給出了改進(jìn)算法的具體步驟和流程示意圖,并進(jìn)行了仿真實驗,實驗結(jié)果表明改進(jìn)蟻群算法可以在一定程度上解決傳統(tǒng)蟻群算法搜索時間長,收斂速度慢的問題。最后,本文介紹了Dubins曲線和回旋曲線,并采用回旋曲線作為本文的路徑平滑。給出了多無人機(jī)協(xié)同路徑規(guī)劃問題的描述,提出了路徑長度相同的協(xié)同準(zhǔn)則,設(shè)計出了一套“環(huán)境建模-初始路徑規(guī)劃-路徑平滑-協(xié)同規(guī)劃”的路徑規(guī)劃方法。首先通過研究的改進(jìn)蟻群算法得到初始路徑,然后通過回旋曲線進(jìn)行路徑平滑,得到可飛行的路徑。判斷按規(guī)劃的路徑飛行同組的無人機(jī)是否會相撞,提出了改變曲率和中間航點算法兩種方法來解決碰撞問題,由于協(xié)同準(zhǔn)則需要路徑長度相同,本文給出了一種新的調(diào)整路徑長度方法。最后進(jìn)行了模擬仿真實驗。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：V279;V249;TP18
【部分圖文】：

2無人機(jī)路徑規(guī)劃的建模方法和常用算法9圖2-3攻角幾何模型示意圖Figure2-3GeometricmodelofAngleofattack2.2.4無人機(jī)路徑曲率約束無人機(jī)的路徑需要符合動力學(xué)的基本約束條件，受到運動學(xué)影響的主要約束是曲率約束。在無人機(jī)的實際的航行過程中，飛行曲率有一定限制，不能超過最大值。可以把無人機(jī)看作一個控制系統(tǒng)，如圖2-4所示。制導(dǎo)路徑側(cè)向加速度指令自動駕駛儀控制舵面機(jī)體側(cè)向加速度運動學(xué)環(huán)節(jié)位置方向速度圖2-4自動駕駛儀和制導(dǎo)回路Figure2-4Autopilotandguidanceloop無人機(jī)的動力學(xué)特性包括作用于無人機(jī)機(jī)體表面的力，這些力使無人機(jī)產(chǎn)生加速度，通過這些加速度影響無人機(jī)的運動學(xué)特性。路徑規(guī)劃器所產(chǎn)生的路徑r(q)需要滿足無人機(jī)動力學(xué)轉(zhuǎn)彎速率的約束，這個動力學(xué)轉(zhuǎn)彎速率轉(zhuǎn)換到運動學(xué)即為曲率約束。曲率與側(cè)向的加速度成正比，因此最終規(guī)劃所得的路徑，任意點的曲率都要比于無人機(jī)所能達(dá)到的最大曲率校無人機(jī)運動的曲率和撓率可由圖（2-5）表示。

工程碩士專業(yè)學(xué)位論文10圖2-5無人機(jī)的曲率和撓率Figure2-5ThecurvatureandtorsionoftheUAV2.2.5無人機(jī)安全性約束路徑規(guī)劃得到的路徑必須是可飛行而且安全的。無人機(jī)飛行的安全性是指無人機(jī)在飛行時規(guī)避障礙物的能力[33]。由路徑規(guī)劃器規(guī)劃出的路徑必須要避開動態(tài)和靜態(tài)的障礙物，同時避免與同組的無人機(jī)相撞。2.2.6其它約束由于無人機(jī)不同的任務(wù)目標(biāo)和飛行環(huán)境，路徑規(guī)劃還可能有其它約束，比如資源管理、保持通信順暢等�？梢詫⑼ㄐ偶s束等其它的約束加入到無人機(jī)的路徑約束條件中。2.3路徑規(guī)劃的建模方法（ModelingMethodofPathPlanning）2.3.1常用的環(huán)境建模方法（1）柵格法柵格法也稱單元分解法，是指將無人機(jī)的飛行區(qū)域分解成相同且相互間無重疊的單元，單元信息可以描述環(huán)境信息，是一種離散化的表示方法。如果某一單元部分或完全被障礙物覆蓋，則稱該單元為障礙物單元，如果某一單元不包含障礙物，則稱該單元則為自由單元。已知整條軌跡的起點和終點，采用搜索算法可得到連接相鄰的自由單元�？梢詷�(gòu)造以當(dāng)前節(jié)點為中心的九宮格，當(dāng)前節(jié)點有八個相鄰的路徑點，節(jié)點i可以選擇下圖中標(biāo)有序號的八個相鄰節(jié)點之一作為下一個飛行節(jié)點，如圖2-6所示。因為飛行航跡有最小步長的約束，所以每個單元的大小需要合理選擇。

工程碩士專業(yè)學(xué)位論文24W=L0)(dssw(3-9)其中)(dssw=sw)(OO+)(MMsw+)(AAsw+)(TswT；L表示無人機(jī)飛行的路徑；W表示無人機(jī)飛行過程中的綜合代價；sw)(L表示無人機(jī)的油耗代價；)(Msw代表導(dǎo)彈威脅代價；)(AAsw代表高炮陣地威脅代價；sw)(T代表山地威脅代價；O、M、A、T四個系數(shù)是和為1的威脅權(quán)重。具體求解方法如下：（1）油耗代價無人機(jī)在飛行過程中應(yīng)盡可能選擇油耗較小的路徑。如果無人機(jī)勻速飛行，油耗和路徑長度成正比。假定無人機(jī)路徑共有n個節(jié)點，則油耗代價如式（3-10）所示：L==11niiL，wO=c1*L=c1*=11niiL(3-10)其中c1為常量，是油耗和路徑長度的比例系數(shù)。（2）導(dǎo)彈陣地代價將無人機(jī)路徑Li等分成五部分，如圖3-4所示：圖3-4無人機(jī)受單一導(dǎo)彈陣地威脅示意圖Figure3-4SchematicdiagramofaUAVthreatenedbyasinglemissileposition其中Mk表示第k個導(dǎo)彈威脅的威脅點。威脅點Mk對在iL段飛行的無人機(jī)的威脅代價如式（3-11）所示：5/))()()()()((ikMMikMMikMMikMMikMMM5,4,3,2,1,dpdpdpdpdpwikM++++=(3-11)如果無人機(jī)在iL段路徑上受到了Mn枚導(dǎo)彈的威脅，那么這段路徑和整條路徑受導(dǎo)彈威脅的代價分別如式（3-12）和式（3-13）所示：==MMikMinkMMww1(3-12)
【參考文獻(xiàn)】

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1 薛俊杰;王瑛;祝捷;肖吉陽;李浩;;美國無人機(jī)分布式處理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀綜述[J];飛航導(dǎo)彈;2015年10期

2 袁利平;夏潔;陳宗基;;多無人機(jī)協(xié)同路徑規(guī)劃研究綜述[J];飛行力學(xué);2009年05期

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2 朱立華;無人飛行器自主檢測與避障技術(shù)研究[D];東南大學(xué);2016年

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2 張博;基于改進(jìn)蟻群算法的無人機(jī)航跡規(guī)劃研究[D];西安科技大學(xué);2019年

3 徐宏飛;面向智慧避障的物流無人機(jī)航跡規(guī)劃研究[D];北京交通大學(xué);2019年

4 楊亞威;基于改進(jìn)人工魚群算法的移動機(jī)器人路徑規(guī)劃問題研究[D];大連海事大學(xué);2017年

5 王村松;多無人機(jī)編隊在線協(xié)同航路規(guī)劃方法研究[D];南昌航空大學(xué);2016年

6 丁家如;多無人機(jī)任務(wù)分配與路徑規(guī)劃算法研究[D];浙江大學(xué);2016年

7 賈陽陽;飛行器避障與航跡規(guī)劃研究[D];北京理工大學(xué);2015年

8 陳雯雯;小型四旋翼無人機(jī)軌跡規(guī)劃算法研究[D];青島理工大學(xué);2015年

9 黃建軍;無人機(jī)自主飛行軌跡規(guī)劃與重規(guī)劃方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

10 楊學(xué)光;具有終值條件的無人機(jī)三維路徑規(guī)劃算法研究[D];西安電子科技大學(xué);2010年

本文編號：2865433