基于仿人发育的混合空域智能无人机 防碰撞策略研究

随着低空开放政策的实施,无人机将会脱离隔离空域,进入低空与各式各样飞行器混合进行飞行。而防碰撞能力作为无人机的关键技术,在混合空域中保持无人机安全飞行起到了至关重要的作用。通过对人的发育式学习防碰撞机理进行分析,建立了面向混合空域中密集障碍的实体模型和发育模型,最终构建了基于仿人发育的无人机防碰撞方法。仿真实验表明,提出的方法不仅使无人机可以通过学习与发育不断提高飞行安全性,而且还可以随着环境熟悉度的提升,加快无人机防碰撞行为,提高了无人机在混合空域密集障碍中的安全性与智能性。     

无人机认知防碰撞系统安全边界研究

无人机认知防碰撞控制是借鉴人类认知智能,建立复杂动态环境无人机防碰撞控制的新思路,其认知决策的安全边界是系统设计的重要问题.本文整体考虑环境威胁与无人机的相互作用关系,建立了"认知无人机–环境系统"模型.进而定义了系统的防碰撞稳定性,并导出了认知无人机–环境系统的防碰撞稳定条件.在此基础上,通过分析防碰撞稳定的安全特征量,解算出面向动态正向碰撞的无人机认知防碰撞系统的安全边界.仿真实验分析了"云雀"无人机的安全边界特性和防碰撞控制要求,并与其他方法进行了对比.     

类脑发育无人机防碰撞控制

城市无人机的大量普及,对无人机在密集动态环境中的防碰撞问题提出了严峻挑战.论文针对密集动态环境中碰撞威胁模式复杂多变的特点,设计了无人机的自主心智发育型防碰撞控制架构,建立了可自主发育的威胁–规避映射关系,构建了威胁模式知识库和规避策略知识库,进而提出了基于自主心智发育的无人机防碰撞控制方法.通过将有效可信的知识不断导入发育器进行发育,可以持续提高无人机应对密集动态障碍的防碰撞能力.仿真对比实验表明,本文方法不仅能快速构建安全避障航路,而且算法效率随知识库的扩充而提高,能够极大提高无人机在密集动态障碍环境中飞行安全性.     

空域航空器碰撞风险评估的建模仿真研究

空域运行风险评估利用预估碰撞风险概率来保证飞行间隔。为保障空域安全,提出采用缩小垂直间隔(RVSM)Reich模型的椭柱形改进模型,用以对RVSM空域碰撞风险进行建模分析。新算法首先确定评估空域、影响安全性的各参数间的关系和最大可接受的碰撞风险值等用以建立模型,计算出碰撞风险的发生概率;最后采用临界值比对方法得出当前的安全等级系数,以确定出标准。采用结构尺寸较大机型的实测数据进行仿真,并将Event模型算法与新方法进行比较。仿真结果验证了新模型简化算法的同时也提高了评估精度,具备可行性和优越性。     

数字低空空域栅格化的表征度量与最优标定

低空飞行空间范围小、目标速度慢、环境要素杂,传统的经纬度表征方式无法满足智联环境下的低空精细管理要求,为此本文研究了数字低空空域栅格化的表征度量与最优标定问题。首先,从“点-线-面”视角构建了多维度低空空域结构要素量化表征规则,提出了低空空域多层级栅格量化表征方法;然后,通过判定不同空域栅格的“点-线-面”位置关系,提出了基于栅格交集矩阵的低空空域拓扑关系度量方法;最后,综合考虑低空无人机碰撞指数、低空栅格利用指数等优化目标,以及节点与栅格匹配约束、空间位置约束、无人机与无人机/障碍物安全约束等限制条件,建立了面向多维性能的低空空域栅格粒度最优标定模型。针对城市低空典型飞行任务场景对所提方法的有效性及优化效果进行了验证分析。实验结果表明,针对任意设定的低空空域和无人机飞行任务,在可接受的无人机碰撞指数和栅格利用指数下,所提方法可对数字低空栅格粒度进行最优配置,从根源上有效确保低空飞行活动的安全和高效。研究成果对于支撑数字低空空域精细化管理和异质飞行器融合运行具有一定的理论价值和应用意义。     

认知无人机–环境系统的防碰撞稳定性

借鉴人在复杂动态环境中的自主防碰撞行为,可以构建具有认知防碰撞能力的无人机.针对认知防碰撞决策的有效性问题,将认知无人机与环境的动态交互过程作为整体,通过分析认知无人机-环境系统状态的运动模式,基于混合时间集建立了认知无人机-环境系统的脉冲微分包含(IDI)模型.按照认知无人机防碰撞过程的IDI运行机理,将系统状态空间划分为三类运行域,建立了认知无人机-环境系统的防碰撞稳定性定义,进而运用IDI理论,导出了使认知无人机-环境系统防碰撞稳定的充要条件.仿真实验结果表明,导出的防碰撞稳定条件可以为无人机认知防碰撞决策的有效性提供依据.     

无人机侧向系统LPV 模型降阶

无人机线性参变(LPV)模型能准确描述其非线性动态特性,但初始建立的LPV模型阶数较高,控制过程计算量较大.为此,提出一种基于平衡截断的LPV模型降阶方法.首先给出LPV系统的适定性、稳定性和平衡实现的定义;然后,提出LPV模型的平衡截断降阶方法.针对无人机侧向系统LTI模型,通过多项式拟合来建立LPV模型,并实现模型降阶.仿真结果表明,降阶模型的阶跃响应满足输出响应的精度要求.     

面向无人机自主防碰撞的认知博弈制导控制

针对非隔离空域中的无人机碰撞规避问题,提出一种基于认知博弈制导的无人机自主防碰撞方法.首先,描述了非隔离空域中无人机自主防碰撞控制问题.其次,建立了无人机与入侵机的运动学模型,并构建了无人机的认知安全域,将无人机碰撞规避问题转化为涉及两方的博弈问题.然后,提出了制导策略集的求解方法.最后,仿真结果验证了所提方法的有效性.     

某无人机侧向运动分析与控制律设计

研究了一种横侧向控制律的设计方法;建立了无人机侧向运动小扰动方程,分析了某无人机的侧向零极点分布特点;分析了该无人机的稳定性、开环传递函数和操纵特性,通过分析比较该无人机在X轴转动惯量增大10倍前后的副翼和方向舵控制效率的变化,提出了利用方向舵控制滚转,副翼滚转增稳的控制方法,解决了由于该无人机X轴转动惯量小,副翼操纵效率高,易导致侧向控制发散的问题;仿真结果显示设计合理可行,可应用于同类无人机的控制律设计.     

空域数据主动管理模式研究与实践

近年来大型机场投运、跑道改、扩建等引发的大范围空域调整逐渐增多,空域数据更新频率明显增加,亟待对现有办公机制进行优化。提出一种主动式管理方案,从组织模式、平台构建两方面入手进行研究,本文以华北地区空域管理为例进行研究与实践。     

基于模型的强化学习在无人机路径规划中的应用

针对当前强化学习算法在无人机升空平台路径规划任务中样本效率低、算法鲁棒性较差的问题,提出一种基于模型的内在奖励强化学习算法。采用并行架构将数据收集操作和策略更新操作完全解耦,提升算法学习效率,并运用内在奖励的方法提高智能体对环境的探索效率,避免收敛到次优策略。在策略学习过程中,智能体针对模拟环境的动态模型进行学习,从而在有限步内更好地预测状态、奖励等信息。在此基础上,通过结合有限步的规划计算以及神经网络的预测,提升价值函数的预测精准度,以利用较少的经验数据完成智能体的训练。实验结果表明,相比同样架构的无模型强化学习算法,该算法达到相同训练水平所需的经验数据量减少近600幕数据,样本效率和算法鲁棒性都有大幅提升,相比传统的非强化学习启发类算法,分数提升接近8 000分,与MVE等主流的基于模型的强化学习算法相比,平均分数可以提升接近2 000分,且在样本效率和稳定性上都有明显提高。     

基于Q学习的无人机辅助W SN数据采集轨迹规划

针对无人机辅助采集无线传感器网络数据时各节点数据产生速率随机和汇聚节点状态不一致的场景,提出基于Q学习的非连续无人机轨迹规划算法Q-TDUD,以提高无人机能量效率和数据采集效率.基于各节点在周期内数据产生速率的随机性建立汇聚节点的汇聚延时模型,应用强化学习中的Q学习算法将各汇聚节点的延迟时间和采集链路的上行传输速率归一...     

基于Multigen的无人机任务飞行仿真系统

介绍基于Multigen仿真软件Multigen Creator, Creator Terrain Studio和Vega Prime的无人机任务飞行仿真系统,在Vega Prime中建立无人机的飞行控制运动函数,实现无人机模型在虚拟仿真场景中的六自由度运动。基于.NET 2003环境下多线程编程技术和SBS网络数据传输,实现该系统的实时应用。仿真结果表明该系统能较好地模拟无人机作战飞行任务。     

基于红外探测技术的无人机视觉引导助降系统

传统的助降导航系统无法满足无人机着舰挂锁对于精确性、抗干扰性及可重复性的要求.为解决该问题,提出一种基于红外探测技术的无人机视觉引导助降系统.系统硬件包括红外标志灯、高动态像机和红外滤光片,系统软件包括光团目标检测算法和双目交汇算法,其中,光团目标检测算法使用归一化负拉氏高斯算子实现光团目标的定位,双目交汇算法利用快速标定方案完成像机标定,采用双像机进行空间交汇.实验结果表明,该系统在距离理想着陆点200 m以内的测量精度小于5 cm,可满足助降要求.     

RS-GA神经网络无人机受风情况估计

针对现有无人机（Unmanned Aerial Vehicle,UAV）风场估计方法中存在的计算复杂、需额外搭载传感器等问题,提出基于粗糙集遗传神经网络的无人机受风状态估计方法。该方法利用粗糙集分析方法对无人机上采集的姿态信息数据集进行约简;利用遗传算法全局搜索能力强的特点优化神经网络的初始权值;用简化的无人机数据集训练神经网络即得到所需神经网络风场估计模型。仿真结果表明,该方法具有较高的识别率以及较短的训练时间,证明了其在无人机风场估计上应用的有效性。     

一种高吞吐量的无人机轨迹规划方法

无人机由于具有完全可控的移动性以及快速部署等优点,成为无线通信领域的研究热点。研究一种无人机支持的多播信道,利用无人机作为移动发射机向多个地面节点发送信息,在无人机的有限任务通信时间内,设计一种连续圆飞行轨迹方法。面向随机分布的多个地面节点,设定距离阈值对地面节点进行分组,通过求解新型旅行商问题确定无人机对各个分组的通信顺序,在满足无人机与地面节点通信覆盖需求的情况下,对圆心、无人机的飞行速度以及飞行半径进行求解,确定各个分组的圆形飞行轨迹,进而生成连续圆飞行轨迹。为实现吞吐量最大化目标,基于连续圆轨迹,在轨迹、功率一定情况下进行功率和轨迹优化,并通过交替联合优化无人机轨迹和功率以提高无人机对地通信系统整体性能。仿真结果表明,与基准方案相比,该方法系统吞吐量明显提高。     

无人机红外舰船目标分割

利用舰载无人机执行情报、侦察任务已经成为海上信息化作战中的重要手段。红外图像分割是无人机探测红外舰船目标特征提取、识别与跟踪的基础。针对红外图像普遍存在目标与背景对比度较低、目标边缘模糊和信噪比低等特点,提出了改进的基于局部熵过渡区提取的分割方法。实验结果表明,与一维和二维最大类间方差法的分割性能相比,该方法在满足实时性要求下可以获得良好的分割结果。     

无人布雷机航路规划仿真系统设计与实现

用文化基因算法求解无人布雷机航路规划问题,设计无人布雷机的航路规划仿真系统。以粒子群优化算法为主搜索策略,利用单向信息共享机制提高收敛速度。采用模拟退火的方法进行局部修正,以减小局部极值的影响。利用Visual C++中MFC编制OpenGL程序的方式模拟飞行过程,通过Matlab中的GUI建立三维航路规划系统仿真平台,实现三维航路可视化。     

大旋角无人机影像全自动拼接方法研究

低空无人机抗风能力弱、稳定性差,影像旋偏角大且存在突变,无法按照常规正射影像镶嵌方法获得全区域拼接影像。为此,提出一种基于尺度不变特征变换(SIFT)特征匹配与多分辨率样条融合的低空无人机影像全自动拼接方法。对非量测影像进行畸变校正,利用查找表设计多幅影像快速畸变校正算法。采用SIFT特征的单应约束影像匹配算法,计算相邻影像的最优变换矩阵。给出最优变换矩阵的多分辨率样条融合影像拼接算法。实验结果表明,该方法能够获得大量稳定的匹配点对,影像间几何变换关系稳定,得到的拼接影像无缝清晰,适用于大旋角、低稳定性的低空无人机影像非摄影测量快速拼接。     

一种用于无人机室内定位的改进ORB光流算法

针对无人机室内无GPS的导航定位问题,结合ORB特征与LK金字塔光流,提出了一种改进的ORB特征光流算法.采用ORB算法提取每帧图像的特征点,送入金字塔中估计下一帧点集坐标;采用前后双向单追踪策略进行粗匹配;采用FLANN-KNN匹配规则和前后双向双追踪策略组成的精匹配,进行误匹配点集的滤除.通过多种场景提取效果和无人...