多无人机协同航路规划的共同进化方法

面向多无人机协同作战的航路设计问题,提出了一种较新颖的多无人机协同航路规划共同进化方法.将航路映射到进化计算个体建立了基于共同进化计算的航路规划问题模型,以此为基础重点讨论了个体适应度设计等关键问题.以SEAD任务为想定,对多无人机协同航路规划共同进化方法进行了仿真.仿真结果表明该方法能够快速为多无人机找到协同航路,能够综合考虑无人机航路的燃油、安全、避碰以及任务协同等指标,可以解决多无人机协同执行任务的航路设计问题,且具有较好的收敛性和线性时间性.     

基于改进人工势场法的无人机在线航路规划算法

在线航路规划能够使无人机针对动态变化的环境快速有效地生成相适应的飞行航路,是无人机任务规划系统必需的能力之一。基于人工势场法提出一种三维在线航路规划方法,使无人机在应对动态变化的飞行环境时能实时规划出保障飞行安全并满足其任务执行效率指标的飞行航路。此航路规划方法在环境构建过程中引入了参考航路引力场和自适应的时间扰动因子,解决了原人工势场法在航路规划中容易陷入势场局部最小值而导致无法用适感环境动态变化区域的问题。在此基础上,提出一种虚拟目标法以更有效地解决人工势场法遇到的局部极值陷阱问题。通过仿真验证表明:所提出的无人机在线航路规划方法比传统的人工势场法更容易跳出势场的局部最小值,且有较好的避障能力。     

基于动态目标概率分布的核电站无人机航路强化学习规划

针对核电站空中动态入侵目标,本文提出了一种基于动态目标概率分布的无人机航路强化学习规划算法,实现了对空中入侵目标的有效拦截.根据入侵目标的状态信息基于概率扩散原理计算目标的概率分布,推理目标可能出现的位置.在此基础上,设计了基于航路点转移规则的行动空间和基于目标概率分布的报酬函数动态更新机制,通过Q-学习不断优化路径,构建了基于目标概率分布和强化学习的无人机航路规划框架,实现了无人机航路强化学习规划.仿真结果表明,该方法能够针对核电站空中入侵目标,实现目标点变化情况下无人机的自主航路规划.     

基于遗传算法的无人机航路规划优化研究

研究无人机航路规划优化问题,为了提高无人机航路规划效率和精度,传统的遗传算法易陷入局部最优、收敛速度慢导致无人机航路规划效率低、寻优精度较差等问题.为解决上述问题,提出了一种基于改进遗传算法的无人机航路规划方法.改进算法前期采用了保优选择策略和改进编码方案对无人机航路进行优化,加快了搜索速度、提高规划效率,使之适应大规模威胁问题求解;后期结合无人机特点,改进交叉和变异算子,通过改进使得每轮搜索后每-软的最优航路能更好地反映求解的质量,有效地加快了收敛,保持了稳定性.最后用改进的遗传算法对无人机航路规划进行了仿真.实验结果表明,方法避免了陷入局部最优、收敛速度加快、寻优精度提高,并缩短了搜索时间,航路规划效率明显提高.提出的算法可以引申应用于类似情况下的路线规划问题,具有-定的推广意义.     

基于网格模型的无人机航路规划仿真

关于优化无人机覆盖路径规划,应便于实时调整航路.实施战场游弋侦察的无人机要搜索含有先验信息的任务区域,并且没有确定的目标点.针对战场环境瞬息万变,提出了网格模型的航路规划方法.首先,将无人机的任务环境区域划分为若干网格单元,并根据存在目标的概率赋予网格单元权值.接着,依据航路决策集合建立了控制模型,根据探测区域对环境网格的覆盖情况建立了探测模型,采用控制和探测模型计算有限步长内的航路价值,通过求解一个动态规划得到当前状态下的最优航路决策.最后通过对一架和多架无人机侦察给定区域的仿真,验证了方法的有效性,为设计航路提供了科学参考.     

基于协同任务的无人机群航路规划算法

当前,无人机在航行途中,与无人机群和其他环境因素,例如,执行任务的目标地点、飞行障碍物共同构成一个庞杂的飞行环境,系统里的各部分既相互制约又相互影响,使得多机协同航路规划评估问题十分复杂,表现出飞行场景动态性与信息不确定性、任务艰难性、建模复杂性、组合多样性、计算复杂性和时间紧迫性等特点。特别是针对面向协同任务的航路规划评估,还要考虑时序、编队、任务等各方面因素,这些因素不仅仅是定量信息,还有很大一部分是定性信息。采用A-star算法将定量信息与定性信息进行合理融合,客观规划协同航路。通过实验仿真,路径规划算法能有效地避开多个路障点,在实际监测中具有较好的效果。     

基于动态规划的无人机航路优化问题研究

无人机航路规划往往指无人机在初始位置、终止位置和一些目标任务结点确定之后的航迹优化问题;在无人机飞行任务执行过程中,无人机需要在参考飞行航线的约束下,根据局部地形、地貌、障碍、威胁等信息以及飞机本身机动能力的限制,实时的计算出飞行航路,并跟随该航迹完成飞行任务;在利用Dynapath(动态路径)算法进行参考航线优化的过程中,考虑了飞机机动性能的限制;在此基础上,详细讨论了参考航线由多航段组成时航路点的处理方法并进行了计算机仿真,仿真结果表明该方法可以比较理想地进行航路点的处理,得到比较良好的最优航迹。     

基于改进遗传蚁群算法的无人机航路规划

研究无人机航路,要在有限的时间内规划出最优路径.因此航路规划问题本质是多约束条件下函数求极值的优化问题,为了避免局部最优、减少计算时间是目前航路规划的关键技术.针对常用的规划算法存在收敛速度慢且易陷入局部最优这-问题,提出了一种改进的遗传蚁群算法.遗传算法阶段给出了一种小变异和引入新种群算子,维持了较优种群的多样性,蚁...     

无人机自主航路规划平台设计

基于人机交互的需求,设计了一款无人机自主航路规划平台。该平台主要应用于无人机飞行前的航路规划工作,能够在已知任务环境信息的基础上,根据任务需求,规划出一条有效航路,同时具备控制无人机飞行、飞行状态监控等功能。首先,在国内外无人机系统适航标准规范的基础上,针对突发或紧急任务下无人机地面操作员工作负荷增大等问题,对无人机航路规划系统设计的安全性要求和人机交互需求进行了归纳梳理;然后,基于航路规划系统功能需求,从航路规划、通信、控制、状态监控等方面,构建了航路规划平台,并采用MATLAB APP Designer完成了软件平台的开发;最终试验测试表明该平台符合设计需求。     

无人机航路规划环境模型研究

通过威胁信息的分层转化,利用信息融合原理构造无人机航路规划的环境模型。在对原始数字地图二维三次插值处理的基础上,分别针对无人机的最大爬升坡度、最小离地间隙以及纵向转弯曲率约束进行了数字地形的调整。分别对探测威胁和火力威胁进行分析,以雷达发现概率、水平距离以及遮蔽影响因素构造探测威胁转化模型,以击落概率和导弹最大作用半径构造火力威胁转换模型,以地形因素的形式融入预处理后的数字地图中,经相关约束调整构造出无人机航路规划环境模型。     

未知复杂环境中的无人机平滑飞行路径规划

针对无人机实时路径规划问题,提出了一种基于双层决策的平滑路径规划方法,以弥补现有方法在复杂飞行环境中对路径平滑性优化的不足,增强路径的易跟踪性.本文首先给出路径平滑性度量,然后建模上、下层决策目标、威胁规避与无人机性能约束并引入变长规划时间,进而设计基于双层决策的路径规划模型.规划过程中通过嵌入启发式优化策略来进一步改善路径的全局与局部平滑度,并提高路径搜索效率.大量复杂场景中的仿真及与现有经典方法的对比结果表明:该方法能够实时避开复杂危险区域,规划适合飞行的、较短的平滑路径.     

固定翼无人机在线航迹规划方法

在不确定环境下,针对固定翼无人机（UAV）航迹规划问题,提出了一种基于滚动时域控制的模糊粒子群优化算法与改进人工势场法相结合的在线航迹规划方法。首先,对凸多边形障碍物进行最小外接圆拟合;然后,根据静态威胁,将规划问题转化为一系列时域窗口内的在线子问题,利用模糊粒子群算法实时优化求解以实现静态避障;当环境中存在动态威胁时,使用改进人工势场法对航迹进行调整完成动态避障。为了满足固定翼无人机的动态约束,同时提出固定翼UAV的碰撞检测法,可提前判断障碍物是否为真正威胁源,以此减少转弯频率和幅度,降低飞行代价。仿真实验结果表明,所提方法在固定翼UAV航迹规划中能有效提升规划速度、稳定性与实时避障能力,且克服了传统人工势场容易陷入局部最优的缺点。     

基于神经网络的改进行为协调控制及其在智能轮椅路径规划中的应用

针对传统的基于行为的智能轮椅的路径规划方法在室外非结构环境下的路径规划效果差的问题,提出一种新的智能轮椅的路径规划算法.该算法利用模糊逻辑设计了基本控制行为,并在此基础上结合大量实际经验使用神经网络设计了行为协调控制器.改进的算法将仲裁机制和命令融合机制2种行为协调方法有效结合起来,并吸收了这2种行为协调方法的优点,从而改善了系统的反应速度,极大提高了控制精确;另一方面,该算法还可以识别陷阱区域并通过自主改变行为的权重方法控制轮椅逃出陷阱区域,因而具备了较强的人工智能特征.仿真和实物实验验证了该算法智能性高且实现简单,适用于室外非结构化环境下的机器人路径规划.     

Multiple-criterion shortest path algorithms for global path planning of unmanned combat vehicles

We consider a multiple-criterion shortest path problem with resource constraints, in which one needs to find paths between two points in a terrain for the movement of an unmanned combat vehicle (UCV). In the path planning problem considered here, cumulative traverse time of the UCV, risk level, and (communication) jamming level associated with the paths are limited to be less than or equal to given limits. We propose a modified label-correcting algorithm with a new label-selection strategy to find Pareto-optimal solutions for the multiple objectives of minimizing the traverse time, risk level, and jamming level related to the paths. In addition, we develop a path planning algorithm based on the label-correcting method to solve problems with a single objective within a reasonably short time. For evaluation of the performance of the proposed algorithms, computational experiments are performed on a number of instances, and results show that the proposed algorithms perform better than existing methods in terms of a computation time.     

多无人机空中加油的最优会合航路规划

为了空中加油能面向多架无人机,本文提出了空中加油的三维最优会合航路规划算法.多架无人机分布在不同区域,需要加油机沿预定的规划航路飞行会合,以完成空中加油任务.由于加油机可同时服务的受油机数量有限,需要寻找最优分配策略将无人机预分配至不同加油区域与之会合.本文首先根据加、受油机在各加油区域的最短会合时间,将最优分配问题建模为整数线性规划问题,求解得到加油机与各无人机的最优会合点.随后,本文提出了三维空间Dubins路径延长算法,保证各无人机按照分配结果与加油机同时到达会合点.最后,分别针对二维和三维多架无人机空中加油任务进行仿真.仿真结果表明本文提出的最优会合航路规划算法得到的Dubins航路,可以保证空中加油会合任务在最短时间内完成.     

Real-time path planning with limited information for autonomous unmanned air vehicles

We propose real-time path planning schemes employing limited information for fully autonomous unmanned air vehicles (UAVs) in a hostile environment. Two main algorithms are proposed under different assumptions on the information used and the threats involved. They consist of several simple (computationally tractable) deterministic rules for real-time applications. The first algorithm uses extremely limited information (only the probabilistic risk in the surrounding area with respect to the UAV's current position) and memory, and the second utilizes more knowledge (the location and strength of threats within the UAV's sensory range) and memory. Both algorithms provably converge to a given target point and produce a series of safe waypoints whose risk is almost less than a given threshold value. In particular, we characterize a class of dynamic threats (so-called, static-dependent threats) so that the second algorithm can efficiently handle such dynamic threats while guaranteeing its convergence to a given target. Challenging scenarios are used to test the proposed algorithms.     

多无人机模糊多目标分布式地面目标协同追踪

针对城市环境中多约束条件下多无人机协同追踪地面目标问题,综合考虑具有不同重要性等级的多个优化目标,提出了一种基于分布式预测控制的模糊多目标航迹规划方法.首先,考虑城市环境中建筑物对无人机视线遮挡、无人机和传感器能量消耗等因素,分别采用目标覆盖度、控制输入代价和开关量形式传感器能耗等为目标函数,将多无人机协同追踪航迹规划转化为多目标优化问题;然后,基于分布式预测控制框架,利用每架无人机未来有限时域内的预测状态,构建多无人机之间的避碰约束,并结合最小转弯半径等约束,形成分布式协同航迹规划模型;最后,针对多个优化目标的不同重要性等级要求,利用模糊满意优化思想将目标模糊化,并根据更重要目标具有更重要满意度的原则,将优先等级表示为松弛满意度序,通过在线求解得到有限时域内每架无人机的局部航迹;与传统多目标加权算法仿真结果对比,验证了所提方法的有效性,充分说明了该方法能够获得同时满足目标优化和重要性等级要求的最优航迹.     

考虑无线充电的无人机路径在线规划

近年来, 无人机在物流、通信、军事任务、灾害救援等领域中展现出了巨大的应用潜力, 然而无人机的续航 能力是制约其使用的重大因素, 在无线充电技术不断突破和发展的背景下, 本文基于深度强化学习方法, 提出了一 种考虑无线充电的无人机路径在线优化方法, 通过无线充电技术提高无人机的任务能力. 首先, 对无人机功耗模型 和无线充电模型进行了构建, 根据无人机的荷电状态约束, 设计了一种基于动态上下文向量的深度神经网络模型, 通过编码器和解码器的模型架构, 实现无人机路径的直接构造, 通过深度强化学习方法对模型进行离线训练, 从而 应用于考虑无线充电的无人机任务路径在线优化. 文本通过与传统优化方法和深度强化学习方法进行实验对比, 所提方法在CPU算力和GPU算力下分别实现了4倍以及100倍以上求解速度的提升.     

四旋翼无人机三维航迹规划及跟踪控制

无人机航迹规划是指根据地形和威胁分布,规划出满足任务要求的合理航迹.为了满足三维空间快速规划的需求,提出了一种基于人工势场的三维航迹规划方法.首先,定义了目标和威胁物的虚拟力函数,推导出了三维空间参数约束方程,并采用联合威胁概念解决三维空间局部极小和振动问题;其次,引入空间圆弧插补技术生成光滑航迹;此外,为方便跟踪控制,提出了航迹时域化方法;最后,利用动态系统全局渐近稳定定理,设计具有全局Lipschitz的闭环系统,实现了具有内外环严格稳定性的双环轨迹跟踪控制.仿真结果验证了航迹规划和跟踪算法的有效性.     

Asynchronous double-precision windows based unmanned aerial vehicle real-time path planning

A real-time path planning approach based on asynchronous double-precision windows is proposed for unmanned aerial vehicles (UAVs). In this proposed method, cursory paths and elaborate paths are planned respectively in the global and local windows. Specifically, global cursory path planner and local elaborate path planner are integrated by rolling two windows on different frequencies with different modes. Simulation results demonstrate that the proposed approach is effective for realizing a balance between t...