三维分层航迹规划算法研究与仿真

针对传统A*算法在飞行器航迹规划过程中产生节点较多,搜索时间较长等缺点,提出了一种改进的A*算法.该算法采用分层思想,将局部规划与全局规划相结合,并对代价函数进行了改进,在保证航迹优化的基础上,提高了搜索效率.仿真结果表明,运用该算法能够规划出符合工程应用的飞行器航迹.     

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.     

基于局部规划的三维航迹规划方法

研究飞行器航迹是选择最优航线问题,针对三维航迹规划中搜索空间大、计算时间长的问题,为缩短搜索时间,获得最优航迹,提出了一种基于A<'*>算法并结合局部规划的三维航迹规划方法.方法首先对A<'*>算法中的当前待扩展节点在局部规划空间中确定几个最有希望的扩展节点,再将其与A<'*>算法相结合,最后对局部规划算法过程中的不足,通过地形标记和加入树搜索深度惩罚做出改进,有效地减小了搜索空间,缩短了搜索时间,并在搜索过程中充分利用地形信息,使算法生成的航迹能够避开大的地形障碍,而且能够充分利用有利的地形.在实际地形数据中进行的实验表明方法能快速、有效地规划出理想优化的航迹.     

基于复杂度分析的改进A~*算法飞行器航迹规划

采用传统A*算法进行大范围地图航迹搜索过程中,要收敛到最优解可能需要很长的时间和极大的内存需求,而且生产的航迹不能满足飞行器的约束条件。通过对A*算法进行时间复杂度的分析,找出算法中对计算时间影响最大的基本操作,提出了一种改进的A*搜索算法。该算法根据导航精度、数字地图误差等因素对搜索过程中网格的大小做出了确定,结合飞行器自身航迹约束条件和任务约束,在扩展子节点过程中大大缩小了搜索范围。仿真实验结果表明,该算法在大范围复杂地形情况下能规划出满足约束条件的最优航迹,并能大幅度降低搜索时间。     

无人机三维航迹规划方法研究

航迹规划算法是无人机关键技术之一,同时也是任务规划系统（Mission Planning System）核心之一。针对固定目标规划问题,提出一种voronoi图改进算法和动态稀疏A*算法融合的三维航迹规划方法。该方法针对固定威胁目标,通过改进voronoi图规划算法快速求解二维航迹路径,然后在该路径参考下,用动态稀疏A*算法求解符合无人机飞行动力学约束的三维航迹。试验表明,该算法比动态稀疏A*算法规划速度快,并保证了航迹最优性。     

基于A*算法的高超声速飞行器航迹规划方法

为了提高A*算法应用于高超声速飞行器航迹规划时的效率和稳定性,并保证航迹可飞性,提出基于改进型变步长稀疏A*算法的航迹规划方法。首先根据飞行器飞行区域不存在地形限制的特点,在规划过程中采取变步长策略,有效地提高了远程规划时的稳定性和效率;然后依赖飞行器的过载计算最大转弯角和爬升/俯冲角,根据计算角度构建规划空间,同时将飞行器飞行过程燃料/时间、航向、飞行高度、航迹末端、禁飞区域等约束用于规划空间优化,减少扩展节点的数量,进一步提高了规划效率并保证航迹的可飞性;最后基于威胁约束设计特殊的代价函数,保障了飞行安全和航迹规划的稳定性。仿真结果表明:规划出的航迹满足高超声速飞行器各种飞行要求,能避开各种威胁,规划时间短,稳定性好。得到的航迹能够作为航迹跟踪控制系统设计时的参考输入。     

飞行器参考航迹规划方法研究

研究飞行器参考航迹规划优化控制问题,飞行器受到飞行达时间、油耗、威胁和地形环境等因素影响,传统的依靠飞行员的视觉效应,达不到优化的要求,同时飞行航迹实时性差.为了找到最优飞行器参考航迹,在分析当前飞行器航迹规划算法存在问题基础上,提出一种改进遗传算法的航迹规划方案.采用遗传算法对飞行器参考航迹进行全局搜索,快速找到全局最优解区域,并在全局最优区域通过模拟退火算法进行局部搜索,得到最优航迹.仿真结果表明,改进遗传算法能够快速找到最优参考航迹,能很好满足在线实时航迹规划的要求,是一种比较理想的飞行器参考航迹规划算法.     

利用Voronoi图与GIS规划三维飞行航迹

针对飞行器三维航迹规划问题展开研究,通过引进地理信息系统(GIS)的方法对地形图数字化和插值得到三维地形数据;利用Matlab构造Voronoi图计算出初步水平航迹,采用ArcGIS软件获取水平航迹对应的高程值(垂直航迹);再由坡度限制平滑算法,曲率限制平滑算法对垂直航迹进行法向加速度和曲率的约束求取最优飞行的路线,显示出规划的三维航迹及地形;并在突发威胁发生的情况,进行了路径的重规划.仿真结果表明,该方法能够快速规划出合理的航迹并满足实时性要求.     

基于遗传算法的飞行器参考航迹规划

针对飞行器航迹规划问题展开研究,为了规划出最优满意的飞行轨迹,分析了飞行器航迹规划中存在的威胁与自身约束条件,提出了一种关于遗传算法的航迹规划方案,采用改进编码机制对飞行器在已知威胁情况下飞行航迹进行整体规划。取航迹个体只包含一个染色体,每个染色体为一个航迹点序列,随机生成种群,通过选择交叉变异,并将各种威胁和约束条件的影响适当的加入到适应值函数中,得到优化路径进行仿真。仿真结果给出了不同加权比例下所得到的最优航迹,通过仿真验证了算法的有效性。     

基于蚁群算法的最小代价航迹规划仿真

在大比例尺地图的路径规划中,由于飞行器全局航迹规划需要计算机存储的栅格点数量巨大,存在维数爆炸问题,使得航迹解算计算量激增,因此提出1种改进的蚁群算法,将栅格由大及小进行划分,利用大栅格为飞行器选择相对平滑和离散度低的飞行地形,利用小栅格为飞行器提供相对精确的全局飞行航迹,将栅格带所有栅格的代价之和作为航迹代价,从而选出1条航迹代价最小的路径．该算法将蚁群算法的信息素更新机制更加合理地应用到航迹规划中．仿真结果表明,该方法能解决航迹维数解算问题,可以将一系列栅格点组成的路径点集合为最优解,为飞行器提供最优航迹规划路径．     

基于改进D*算法的无人机室内路径规划

针对多旋翼飞行器室内无GPS信号时的导航问题,本文采用二维码阵列构建室内定位系统,基于改进D*算法实现无人机室内路径规划,从而实现飞行器在室内的自主导航和避障。基于ArUco二维码设计了地面阵列为无人机提供了全局精确定位信息,使用改进D*算法保证了无人机在飞行过程中能自主进行路径规划和飞行。通过设计实验对改进D*算法进行了数值仿真验证,并在实际无人机的飞行中应用。实验结果证明:所提改进算法较传统D*算法能更好地保证无人机的飞行安全,同时基于二维码阵列的定位方式不但具有较高精度同时成本低易于实现。     

基于贝叶斯决策的无人机飞行路径自动规划方法

传统无人机飞行路径自动规划方法无法获取全部障碍物信号,使无人机飞行不能达到避障效果,导致飞行路线规划效果较差;为此提出基于贝叶斯决策的无人机飞行路径自动规划方法;无人机飞行路径自动规划硬件模块包含自动规划模块、动画演示模块、地图导航模块和数据导出模块,自动规划模块负责控制无人机飞行;动画演示模块使用240PRO型号的LEWITT声卡,为展示飞机飞行路线提供声音;LS-TM8N地图导航模块通过串口将射频信号发送到天线的输入端,再由数据导出模块导出并保存相关数据;基于贝叶斯决策原理,结合贝叶斯元胞蚁群算法,计算贝叶斯先验概率和后验概率,规划无人机飞行路径,获取最优路径;实验结果表明,该方法遇到静态障碍物捕获的避障信号在-28～30mV范围内波动,动态障碍物捕获的避障信号在-27～30 mV范围内波动,与实际障碍物信号波动范围一致,避障效果较优.     

Improved 3D Interpolation-Based Path Planning for a Fixed-Wing Unmanned Aircraft

Path planning for unmanned aircraft has attracted a remarkable amount of interest from the research community. However, planning in large environments such as the civil airspace has not been addressed extensively. In this paper we apply a heuristic incremental interpolation-based search algorithm with efficient replanning capabilities to the path planning problem for a fixed-wing aircraft operating in a natural environment to plan and re-plan long flight paths. We modified the algorithm to account for the minimum turning radius and the limited flight path angles of a fixed-wing aircraft. Additionally, we present a method to consider a desired minimum cruising altitude and a post-processing algorithm to improve the path and remove unnecessary path points. These properties specific to aircraft operation could not be addressed with the original algorithm. Simulation results show that the planner produces intuitive, short paths and is capable of exploiting previous planning efforts, when unknown obstacles are encountered.     

一种基于最小平均距离的测量飞机航迹规划算法

以测量飞机对单个低空飞行器跟踪为研究对象,根据大地坐标系统和椭球几何学基本原理,结合机载测量设备的作用范围,提出一种基于最小平均距离的测量飞机航迹规划算法.分析预定的低空飞行器飞行路线,提取低空飞行器飞行关键点,划分出低空飞行器水平飞行阶段和转弯飞行阶段,按阶段分别规划出测量飞机的航迹,保证对低空飞行器全程连续稳定跟踪的同时,使测量飞机与低空飞行器的平均距离最小,以提高测量质量,并模拟低空飞行器3种飞行路线,规划了相应的测量飞机航迹,经Mat-lab仿真分析,规划结果满足设计要求,验证了算法的有效性.     

Communication‐Aware Information‐Gathering Experiments with an Unmanned Aircraft System

This paper presents single and multiaircraft flight experiments to assess an information‐theoretic path planning algorithm that incorporates sensing and communication to guide an unmanned aircraft. The communication is modeled with packet erasure channels for each link in a multihop mesh network. The planning objective is to maximize the mutual information between the target state and measurements received at a single base station from all aircraft. A novel unmanned aircraft system was developed to facilitate experiments with multiple unmanned aircraft utilizing multihop mesh networking. The value of communication‐aware planning was assessed through flight experiments with a single aircraft localizing a radio emitter. Additional experiments with two aircraft demonstrated and assessed the performance of the approach, showing that the improvement in sensing can be appreciable when utilizing multihop communication.     

基于无线定位的个性化导览关键技术及其在博物馆中的应用

本文提出一种基于Wi-Fi无线定位网络能够满足相关应用精度需求的室内导览方法,该方法使用智能手机自身处理能力实时进行信号强度概率分布以及位置指纹匹配计算,使用基于动态权值的方法来对室内环境进行建模,引入加权线性公式组合推荐算法实现基于优化A星算法的路线规划。本文同时给出了该方法应用于构建博物馆个性化导览系统的应用示例,实验结果表明该方法具有较高的定位精度和推荐准确率。本文所提室内导览方法具有通用性好和组网成本低的特点,能够较好满足博物馆等室内导览系统应用需求,具备进一步进行商业化应用的潜力。     

光电经纬仪补充条件定位方法及其应用

在固定翼飞机定点着陆飞行训练过程中,由于测试装备种类数量较少、测试手段有限或装备故障等因素,经常出现测量记录的数据不能满足飞行讲评和飞行质量评估要求的情况,从固定翼飞机定点着陆飞行训练数据分析入手,根据飞机在下滑道中的运动特点,建立了飞机定点着陆训练下滑道段补充条件定位解算的数学模型,在有效测元不足不能运用常规方法进行定位解算的情况下,提供了定位解算的方法.实测数据计算结果验证了这一方法的正确性和有效性.该方法简单实用,可有效提高光电经纬仪有效信息源的利用效率,在固定翼飞机定点着陆飞行训练中具有十分重要的工程应用价值.     

Factors influencing the design of perspective flight path displays for guidance and navigation

Many types of modern commercial aircraft are equipped with an Electronic Flight Instrument System, comprising several programmable displays. The flexibility in information presentation of these systems offers the possibility to improve the pilot-aircraft interface significantly. Future concepts, such as enhanced and synthetic vision, will further increase these possibilities. To benefit from this, research into new display concepts is being performed to allow the pilot to operate in a four-dimensional (4D) air-traffic environment, to provide improved spatial and navigational awareness, and to enable a better transition from supervisory to manual control. A possible display format is the so-called perspective flight path display, which originated approximately 40 years ago. The design of perspective flight path displays for guidance and short-term navigation requires the specification of several parameters. Suitable values for these parameters depend on requirements with respect to range and resolution of the required information, the properties of the positioning and attitude determination system, and the abilities of the human operator with respect to perception, interpretation and evaluation of information. In this paper, a review of the various factors to be considered in the design of perspective flight path displays is presented. The relations between the guidance/short-term navigation task-related requirements and the design parameters of a perspective flight path display are discussed, and the consequences of the differences between today's guidance displays and perspective flight path displays for algorithms controlling the display symbology are explained.     

The AutoSOAR autonomous soaring aircraft,part 1: Autonomy algorithms

Autonomous soaring has the potential to greatly improve both the range and endurance of small robotic aircraft. This paper describes an autonomous soaring system that generates a dynamic map of lift sources (thermals) in the environment and uses this map for online flight planning and decision making. Components of the autonomy algorithm include thermal mapping, explore/exploit decision making, navigation, optimal airspeed computation, thermal centering control, and energy state estimation. A finite state machine manages the aircraft behavior during flight and determines when changing behavior is appropriate. A complete system to enable autonomous soaring is described with special attention paid to practical considerations encountered during flight testing. A companion paper describes the hardware implementation of this system and the results of a flight test campaign conducted at Aberdeen Proving Ground in September 2015.     

低可探测性飞机威胁建模及航迹规划仿真研究

提出了一种利用低可探测性(隐身性)飞机RCS变化特性的航迹规划算法.根据目标RCS与雷达作用距离的关系以及简化的固定翼飞机RCS变化率模型,为以雷达为探测手段的防空系统建立威胁杀伤模型,在综合考虑生存概率和路径距离后给出新的航路威胁代价计算函数,最后采用Dijkstra算法在满足飞行约束条件下对隐身性飞机的航迹规划方法进行了大量的仿真.仿真结果表明隐身性作战飞机结合有效的航迹规划算法可以充分发挥自身低可探测性优势而达到隐蔽突防的目的.