隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,無人機在軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都發(fā)展迅速。無人機路徑規(guī)劃是無人機協(xié)同控制的核心,而單無人機難以獨立完成日益復雜的任務(wù),因此研究多無人機協(xié)同路徑規(guī)劃具有非常重要的意義。首先,本文概述了無人機路徑規(guī)劃相關(guān)理論,給出了單無人機和多無人機協(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航跡規(guī)劃問題中存在的缺點,提出了兩種改進方法。第一種改進方法是在蟻群算法中加入引導因子,加強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。最后給出了改進算法的具體步驟和流程示意圖,并進行了仿真實驗,實驗結(jié)果表明改進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蟻群算法得到初始路徑,然后通過回旋曲線進行路徑平滑,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。最后進行了模擬仿真實驗。
【學位單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：V279;V249;TP18
【部分圖文】：

2無人機路徑規(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無人機路徑曲率約束無人機的路徑需要符合動力學的基本約束條件，受到運動學影響的主要約束是曲率約束。在無人機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�？梢园褵o人機看作一個控制系統(tǒng)，如圖2-4所示。制導路徑側(cè)向加速度指令自動駕駛儀控制舵面機體側(cè)向加速度運動學環(huán)節(jié)位置方向速度圖2-4自動駕駛儀和制導回路Figure2-4Autopilotandguidanceloop無人機的動力學特性包括作用于無人機機體表面的力，這些力使無人機產(chǎn)生加速度，通過這些加速度影響無人機的運動學特性。路徑規(guī)劃器所產(chǎn)生的路徑r(q)需要滿足無人機動力學轉(zhuǎn)彎速率的約束，這個動力學轉(zhuǎn)彎速率轉(zhuǎn)換到運動學即為曲率約束。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所能達到的最大曲率校無人機運動的曲率和撓率可由圖（2-5）表示。

工程碩士專業(yè)學位論文10圖2-5無人機的曲率和撓率Figure2-5ThecurvatureandtorsionoftheUAV2.2.5無人機安全性約束路徑規(guī)劃得到的路徑必須是可飛行而且安全的。無人機飛行的安全性是指無人機在飛行時規(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相撞。2.2.6其它約束由于無人機不同的任務(wù)目標和飛行環(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)造以當前節(jié)點為中心的九宮格，當前節(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)學位論文24W=L0)(dssw(3-9)其中)(dssw=sw)(OO+)(MMsw+)(AAsw+)(TswT；L表示無人機飛行的路徑；W表示無人機飛行過程中的綜合代價；sw)(L表示無人機的油耗代價；)(Msw代表導彈威脅代價；)(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）油耗代價無人機在飛行過程中應盡可能選擇油耗較小的路徑。如果無人機勻速飛行，油耗和路徑長度成正比。假定無人機路徑共有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）導彈陣地代價將無人機路徑Li等分成五部分，如圖3-4所示：圖3-4無人機受單一導彈陣地威脅示意圖Figure3-4SchematicdiagramofaUAVthreatenedbyasinglemissileposition其中Mk表示第k個導彈威脅的威脅點。威脅點Mk對在iL段飛行的無人機的威脅代價如式（3-11）所示：5/))()()()()((ikMMikMMikMMikMMikMMM5,4,3,2,1,dpdpdpdpdpwikM++++=(3-11)如果無人機在iL段路徑上受到了Mn枚導彈的威脅，那么這段路徑和整條路徑受導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】

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本文編號：2865433