基于改进约束差分进化算法的动态航迹规划

为解决三维复杂环境下无人机动态航迹规划问题,提出一种基于改进约束差分进化算法的动态航迹规划方法,以满足对实时性及动态搜索精度的要求.首先,根据无人机航迹规划特点将其描述为包括飞行约束及威胁约束在内的约束优化问题,并构造目标代价函数和约束限制函数;其次,将广义反向学习和自适应排序变异操作引入到约束差分进化算法中,以提高算法的多样性、收敛速度和寻优精度;最后,利用自适应权衡模型对各状态下的约束限制进行处理,充分利用“精英”个体信息,实现对目标适应值的合理转换.通过仿真实验以及与3种先进约束差分进化算法比较表明:所提方法能够有效实现静态及动态威胁回避,规划出安全适航的飞行路径,实现地形跟随;相较于其他3种算法,所提方法具有寻优性能好、鲁棒性强、收敛速度快和可靠性高等优势.     

多约束条件下无人机航迹规划

针对多约束条件下的无人机航迹快速规划问题,建立了导航精度约束下无人机航迹规划模型,并设计了“基于Dijkstra算法的航迹规划法”求解模型。通过校正策略优选、校正方案优选和O-D邻接矩阵处理方式,简化搜索路径,降低计算量,提高执行效率,从而实现对传统Dijkstra算法的改进。在满足导航精度约束条件的前提下,以航迹长度最短和经过校正点数量最少为研究目标进行仿真实验,并将所得结果与传统Dijkstra算法和遗传算法所得结果分别进行对比,发现此算法在精度与复杂度方面均优于传统算法和遗传算法。此结果表明,导航精度约束下无人机航迹规划模型和“基于Dijkstra算法的航迹规划法”在解决多约束下无人机航迹规划问题方面具有一定的正确性、有效性和先进性。     

基于循环寻优RRT算法的无人机航迹规划

针对快速扩展随机树（RRT）算法在无人机在线自主航迹规划中的寻优性问题,提出基于循环寻优RRT算法。将航迹长度代价约束作为启发条件引入RRT算法,可以有效地剪除搜索空间的无用节点,获得较优航迹。通过引入已规划可行航迹的航迹长度代价约束作为下一次算法运行的启发条件,采用循环迭代策略有效地剪除搜索空间的无用节点,使得算法每次运行后的航迹长度代价减小,多次运行后最终得到的航迹接近最优航迹,充分利用航迹长度代价的启发性,克服了RRT算法的缺点,同时获得了一系列不同航迹代价的可行备选航迹,在协同任务中可以根据协同到达时间进行快速选择。仿真结果表明该算法能够快速生成安全并且满足无人机动力学约束的较优航迹。     

一种面向突发威胁的多因素Dubins航迹规划算法

针对传统无人机航迹规划算法应用在突发威胁场景下存在搜索点冗余、路径规划实时性较差等问题,提出了一种基于多因素Dubins路径的无人机动态航迹规划算法。该算法首先根据无人机自身性能约束及突发威胁区域的位置,并且考虑无人机的起始和最终位置,利用传统的Dubins路径找到有效的路径扩展点。然后结合启发式搜索思想建立基于路径长度和威胁的路径扩展点评估函数。最后通过路径评估函数计算,比较路径点的代价值,选取每一步的路径扩展点,规划出较优路径。仿真结果表明,在突发威胁场景下利用该算法进行航迹规划时路径长度较短、路径扩展点较少,并且符合无人机实际飞行过程中航向角变化,可有效保障无人机的安全性和航迹规划的实时性。     

基于定向A*算法的多无人机同时集结分步策略

设计一种基于定向A*算法的多无人机同时集结分步策略.首先,提出一种定向A*算法,将无人机最大俯仰角与偏航角作为A*算法搜索约束,从而缩小节点扩展区域,并通过循环寻优规避“死区”点,进而产生平滑可飞的预规划航迹;其次,论述了补偿航程差的变步长多点搜索、三维盘旋机动、虚拟威胁等分步再规划算法,使得多无人机同时集结于目标点附近.仿真结果表明,所提出的算法能够有效完成多无人机同时集结任务.     

一种无人机三维航迹规划算法研究

在研究无人机三维航迹规划问题时,针对基于传统人工蜂群算法易陷入局部最优值、后期收敛速度变慢、寻优效率低的问题,提出了一种改进人工蜂群算法的无人机航迹规划方法。首先,在建立包括经纬度、海拔高度信息的三维飞行区域模型后,加入了地形约束模型,并引入新的综合航迹代价评价方式。然后,在算法中引入自适应搜索策略、新型概率选择策略与Logistic混沌搜索算子来增强其对原始信息的开采能力,提高其收敛速度以及加强其鲁棒性。最后,通过三维航迹规划仿真和面对突发威胁的局部航迹再规划仿真对所提算法的有效性进行了验证。结果表明,改进后的算法提高了全局收敛能力,在收敛速度和精度上优于遗传算法和传统人工蜂群算法,适合用来解决无人机的三维航迹规划问题。     

多运动目标的多无人机协同搜索追踪策略

针对多无人机协同搜索追踪区域内多运动目标问题,考虑无人机的传感器与避撞等约束和目标随机运动等特征,提出了以垂线搜索为基础的多无人机协同搜索追踪策略.策略包含任务分配和航迹规划两部分.在任务分配部分,设计了航道均分垂线搜索算法,将搜索资源在区域内均匀分配,提高协同搜索效能.在航迹规划部分,设计了改进的人工势场算法,避免发...     

基于改进A~*算法的灾后井下无人机航迹规划

针对传统A~*算法应用在煤矿灾后井下环境侦测的无人机航迹规划中存在搜索点冗余、遇到突发威胁时实时性较差等问题,提出了一种逆向变权重稀疏A~*算法。根据无人机自身性能约束及灾后井下威胁模型,从目标点到起始点进行全局静态航迹规划,避免大量无效搜索;根据无人机执行任务的需要设置不同权重系数,得到侧重航程或安全的航迹;通过引入次目标点策略,仅对被突发威胁覆盖的航迹进行修正,可在短时间内有效避开突发威胁。仿真结果表明,利用该算法进行航迹规划用时较短,无人机受到的威胁较小,可有效保障航迹规划的实时性和安全性。     

基于改进A*算法的无人机航迹规划

在无人机航迹规划问题的研究中,针对在执行飞行任务前,需要根据所经区域内已知的地形、地貌、障碍和威胁等信息以及飞机本身机动能力的限制计算出飞行航迹, 并根据规划出的航迹完成飞行任务.能准确识别起始点到目标航路,提出了一种基于改进A*算法的无人机航迹规划方法,将无人机自身的性能和飞行任务结合到A*算法中去,在节点的搜索过程中解决了A*算法大空间搜索耗时多的问题.通过简单的路径消减算法去除不必要的航迹点,使得规划出来的航迹能够最大程度上满足无人机的运动特性.仿真结果表明采用的方法计算速度快并且规划达到最优性能.     

多约束复杂环境下UAV航迹规划策略自学习方法

在多约束复杂环境下,多数无人飞行器（UAV）航迹规划方法无法从历史经验中获得先验知识,导致对多变的环境适应性较差。提出一种基于深度强化学习的航迹规划策略自学习方法,利用飞行约束条件设计UAV的状态及动作模式,从搜索宽度和深度2个方面降低航迹规划搜索规模,基于航迹优化目标设计奖惩函数,利用由卷积神经网络引导的蒙特卡洛树搜索（MCTS）算法学习得到航迹规划策略。仿真结果表明,该方法自学习得到的航迹规划策略具有泛化能力,相对未迭代训练的网络,该策略仅需17%的NN-MCTS仿真次数就可引导UAV在未知飞行环境中满足约束条件并安全无碰撞地到达目的地。     

基于APSODE-MS算法的无人机航迹规划

无人机航迹规划是指在环境威胁与自身约束条件下,规划一条安全可行的航迹,是实现无人机自主化飞行的关键技术之一.为实现无人机在不同城市环境下能够快速规划一条安全可靠的航迹,提出一种基于自适应粒子群差分进化-最小捕捉(APSODE-MS)算法的无人机航迹规划方法.首先,建立城市环境航迹规划数学模型,以航程距离、威胁约束、违背约束代价3者的加权和作为目标函数;其次,在PSO算法中引入自适应非线性惯性权重,根据粒子偏离全局最优解的程度分配不同的搜索模式,结合动态差分进化(DE)算法加快粒子的收敛速度,引入改进的正态扰动提高跳出停滞与早熟现象的能力;最后,筛选关键航迹点,并采用最小捕捉轨迹(MS)算法对航迹进行光滑处理.仿真结果表明,所提出的APSODE-MS航迹规划方法能够在不同城市仿真环境下较好地完成规划任务,并能获得更优的航路,从而验证算法的有效性和鲁棒性.     

基于区域分割的无人机路径规划

研究无人机路径规划优化问题,针对在城市环境下执行飞行任务前,需要根据所经城市内已知的建筑物信息以及飞机本身性能的限制计算出飞行轨迹,并根据规划出的路径完成飞行任务。在给定起始点和目标点上,提出了一种城市建筑物遮挡模型的无人机路径规划方法。主要包含两方面的内容:一是利用圆柱虚拟城市建筑物环境使建筑物对无人机的遮挡面积可计算;二是在计算出无人机飞行的水平平面上(x,y)点遮挡值的基础上,给出了无人机搜索区域等分的沿对角线折线走法的优化路径规划,得到一条遮挡面积最小的路径并进行仿真。仿真结果表明,规划方法能够快速有效地完成规划任务,获得满意的航迹,为无人机优化路径提供了依据。     

帝国竞争算法在无人机三维航线规划中的应用研究

针对实际飞行环境中无人机的三维航线规划问题,提出了一种创新启发式优化算法——牛顿帝国主义竞争算法(NICA,Newtonian imperialist competitive algorithm).该算法能够根据无人机的飞行轨迹,从起始位置到任务目标位置生成平滑的航线路径,约束航线规划,使得目标完成任务的时间最小化.该算法也能为无人机在真实地形上的航线提供最佳轨迹路径.最后通过与ICA、GA和PSO算法进行比较,验证了改进算法的有效性.结果表明:改进帝国算法提高了全局最优解的搜索能力,在收敛速度和精度上优于其他3种算法,适合用来解决无人机的三维航线规划问题.     

智能化战术飞行轨迹规划方法研究

对态势评估与规划系统进行集成,提出了智能化战术飞行轨迹规划系统方案.基于贝叶斯网络和模糊推理技术,实现了战场威胁级别及其相对重要性程度的综合评估.利用模型预测控制的滚动优化和在线校正原理,实现了飞机在线飞行路径规划.建立了路径规划代价函数中加权因子的智能化分配方法,进而实现了威胁评估与路径规划之间的集成,使得路径规划系统能够自适应战场态势的动态变化.最后通过仿真验证了所提出方法的有效性.     

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。     

拉格朗日松弛的无人机路径规划

提出了基于城市建筑物遮挡模型的无人驾驶飞行器（简称无人机）路径规划方法,主要包含两方面的内容：一是利用圆柱体虚拟城市的建筑物环境,使建筑物对无人机的遮挡面积可计算,另外,由于建筑物的相对位置会相互遮挡,不可以进行简单的面积加法。采用程序实现了无人机的遮挡总和的计算,即每个建筑物遮挡面积的并集。二是在计算出无人机飞行的水平平面上（x,y）点的遮挡曲面值的基础上,给出了无人机基于拉格朗日松弛算法的优化路径规划,即走一条遮挡面积最小的路径的方法。给出matlab仿真结果,实验结果表明该方法是十分有效的。     

利用动态规划和电势理论规划UAV三维航迹

用改进的电势理论规划无人机的三维航迹。充分考虑了地形威胁、火力及雷达威胁同时存在的情况,并对它们的权重对航迹规划的影响进行了研究。通过限制航线到包含任务起止点直线的距离,不但克服了电势法无法收敛目标点的问题,而且可以缩短飞行航程;研究惩罚函数中各因素不同权重对飞行航线的影响,选择出最优权重系数;通过仿真试验可知,该方法能够成功地为无人机规划出安全的飞行路径。     

无人机航迹控制模块的优化设计与实现

当前在无人机作业过程中,能够根据预设的目的地信息自主控制飞行的模块,在多个最优方案条件下,需要预设复杂约束条件,否则就会存在寻优过程不收敛的问题,导致控制效果不佳。针对这一问题,研究了无人机航迹自主控制模块的改进设计。设计可以采集无人机的位置、速度等飞行信息,并上传至飞行主控器的模块硬件,软件在符合无人机飞行约束与威胁约束的条件下,规划获取后续飞行的最优航迹点。为了保证无人机飞行距离最短、高度最小,将无人机航迹自主控制问题变成优化问题。在面临多个最优方案条件下,构建基于鲸鱼算法的无人机航迹选择模型,以无人机飞行航线代价最小为目的,使用鲸鱼算法求解无人机航迹自主控制方案,完成软件设计。实验结果显示：使用所设计模块后,无人机可自主控制飞行航迹,成功避开静态威胁因素、动态威胁因素安全飞行至目的地。     

无人机三维航路动态规划及导引控制研究

为研究无人机三维航路动态规划,提出了一种工程实用性强的A*三维航路优化算法,将无人机的机动性能、飞行航程、飞行高度等约束条件有效分割到解空间。为了加快搜索速度,引入启发式权重系数对搜索策略进行改进,利用加权值自适应方法对算法的评价函数进行设计,提高航迹点搜索效率,并设计了导引控制律,基于优化算法获取的航路,能够使无人机很好地跟随规划的最优路径,同时生成的期望控制指令充分考虑了无人机本身的机动性能以及实时性要求,解决了航迹规划与航迹跟踪之间的问题,最后进行了仿真验证,结果表明,该方法是可行和有效的,有着较高的优化效率;易于实现,工程实用性强。