基于动态流体扰动原理的三维滚动航路规划.pdfVIP

2015年 12月 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 Deeember 2Ol5 第41卷 第 12期 JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics Vo1．4l No．12 http：ffbhxh．buaa．edu．ClI jbuaa@buaa．edu．ell DOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0773 基于动态流体扰动原理的三维滚动航路规划 姚鹏 ，王宏伦 ，刘畅 (1．北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学 院，北京 100191； 2．北京航空航天大学 飞行器控制一体化技术重点实验室 。北京 100191) 摘 要 ：针对复杂环境 中存在运动 目标、移动威胁与突发威胁等多种情况 ，将动态流 体扰动算法与滚动优化策略相结合，进行无人机 (UAV)三维动态航路规划．基于移动 目标运 动信息与威胁运动信息引入相对初始流场，用扰动矩阵量化表示障碍物或威胁对相对初始流 场的扰动影响，计算相对扰动流场 ，进而得到实际流场流线即无人机规划航路．充分利用实时 环境信息，综合考虑未来运动态势 ，在有限时域内采用动态流体扰动算法规划出可选航路 ，然 后构建 目标 函数 ，滚动优化反应系数，实现在线航路规划．仿真结果表明，该算法能较好地适用 于复杂动态环境． 关 键 词 ：无人机 (UAV)；三维动态航路规划 ；复杂环境 ；动态流体扰动；滚动优化 中图分类号 ：V249．1 文献标识码 ：A 文章编号 ：1001—5965(2015)12—2280—08 无人机 (UnmannedAerialVehicle，UAV)航路 分可观测马尔可夫决策过程引导无人机跟踪地面 规划 ，是实现其 自主飞行的关键技术之一．在静态 运动 目标．文献 [5]采用改进的人工势场法 ，将相 已知环境下 ，无人机的航路规划技术已比较成熟 ， 对速度引入势能函数中，使其适用于动态环境．文 通过离线全局规划即可得到一条从起点到 目标点 献 [6—7]采用模型预测控制 (MPC)中的滚动优化 的最优飞行航路 ．但无人机 实际飞行环境往 策略 ，用局部最优代替全局最优．上述方法虽然能 往是复杂动态未知的，某些特定飞行任务下，无人 较有效地规划二维动态航路，但扩展到三维复杂 机需要在跟踪运动 目标的同时躲避移动威胁或突 飞行环境下，它们的计算效率将大幅降低，无法满 发威胁 ，这就要求无人机能够处理各种动态情况 ， 足实时性要求．此外 ，上述方法规划出的航路不够 在线规划可飞航路 ，而当前大多数算法仅单独考 平滑 ，因此需要额外的航路平滑 ，影响计算效率． 虑了动态威胁或运动 目标情况 ．此外 ，相 比于 与上述算法相 比，流函数法 作为人工势场 二维航路 ，三维航路更能充分发挥无人机 的机动 法的一种变形 ，由于其快速性与平滑的航路特性 ， 性能 ，从而适应于低 空突防、低空探测等任务规 可有效应用在二维动态飞行环境 中 ．该方法通 划．因此 ，复杂三维环境下的动态航路规划技术受 过对速度势函数求导获得流线速度 ，然后对流线 到越来越多的关注． 速度进行积分 即可得到流线 ，即无人机 的规划航 文献 [3]提出了一种基于行为协同和虚拟 目 路，但该方法在三维环境下往往得不到完整的解 标相结合的动态航路规划方法 ，将规划行为分为 析式．文献 [10]采用基于流水避石原理 的三维航 局部规划行为和全局规划行为．文献 [4]采用部 路规划算法，将流体计算与航路规划相结合 ，规划 收稿 日期 ：2014—12-10；录用 日