無人機自主飛行航跡規(guī)劃算法研究

無人機自主飛行航跡規(guī)劃算法研究,無人機,自主,飛行,航跡,規(guī)劃,算法,研究 無人機自主飛行航跡規(guī)劃算無人機自主飛行航跡規(guī)劃算法研究法研究 導(dǎo)導(dǎo) 師：師：聶聶 聰聰 專專 業(yè)：業(yè)：自動化自動化 姓姓 名名：張張 川川基本內(nèi)容基本內(nèi)容一、論文研究的背景及意義一、論文研究的背景及意義二、論文研究的主要內(nèi)容二、論文研究的主要內(nèi)容三、研究工作的總結(jié)和展望三、研究工作的總結(jié)和展望一、論文研究的背景及意義一、論文研究的背景及意義 第一架無人機于第一架無人機于20世紀(jì)初在英國誕生，在最世紀(jì)初在英國誕生，在最近的一個世紀(jì)中無人機近的一個世紀(jì)中無人機(UVA)得到了飛速的發(fā)展。得到了飛速的發(fā)展。它從最初簡單的靶機，發(fā)展到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用到偵它從最初簡單的靶機，發(fā)展到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用到偵查、監(jiān)視、攻擊以及電子戰(zhàn)等多種任務(wù)的戰(zhàn)斗平查、監(jiān)視、攻擊以及電子戰(zhàn)等多種任務(wù)的戰(zhàn)斗平臺。臺。因為無人機沒有飛行員，為了使無人機能夠因為無人機沒有飛行員，為了使無人機能夠?qū)崿F(xiàn)全自主方式的飛行，操作人員必須提前對無實現(xiàn)全自主方式的飛行，操作人員必須提前對無人機的航線進(jìn)行規(guī)劃，包括航線中各個關(guān)鍵航點人機的航線進(jìn)行規(guī)劃，包括航線中各個關(guān)鍵航點的經(jīng)緯度位置信息、高度信息以及對任務(wù)設(shè)備的的經(jīng)緯度位置信息、高度信息以及對任務(wù)設(shè)備的操作等。操作等。隨著計算機技術(shù)的進(jìn)步和隨著計算機技術(shù)的進(jìn)步和GPS系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，無人機地面控制站中逐漸發(fā)展出了一個嶄新的獨立模無人機地面控制站中逐漸發(fā)展出了一個嶄新的獨立模塊一航跡系統(tǒng)。利用航跡系統(tǒng)，操作人員可以直接在塊一航跡系統(tǒng)。利用航跡系統(tǒng)，操作人員可以直接在數(shù)字地圖上進(jìn)行航跡的規(guī)劃，能夠?qū)崟r、便捷地得到數(shù)字地圖上進(jìn)行航跡的規(guī)劃，能夠?qū)崟r、便捷地得到數(shù)字地圖中任意一點的多種信息。這一功能將航跡規(guī)數(shù)字地圖中任意一點的多種信息。這一功能將航跡規(guī)劃所需的時間從原來的數(shù)個小時甚至更長時間縮短到劃所需的時間從原來的數(shù)個小時甚至更長時間縮短到了數(shù)十分鐘甚至只需數(shù)分鐘。同時，航跡系統(tǒng)還能夠了數(shù)十分鐘甚至只需數(shù)分鐘。同時，航跡系統(tǒng)還能夠?qū)崟r地跟蹤無人機航跡。實時地跟蹤無人機航跡。二、論文研究的主要內(nèi)容二、論文研究的主要內(nèi)容本文工作的主要內(nèi)容本文工作的主要內(nèi)容：1、對無人機航跡規(guī)劃方法的回顧對無人機航跡規(guī)劃方法的回顧2、建立建立雷達(dá)威脅模型、航跡代價函數(shù)雷達(dá)威脅模型、航跡代價函數(shù)3、介紹介紹無人機航跡規(guī)劃方法無人機航跡規(guī)劃方法，分析各種方法的正確，分析各種方法的正確率率、復(fù)雜度，并作比較復(fù)雜度，并作比較4、提出提出模擬退火遺傳算法模擬退火遺傳算法5、基于模擬退火遺傳算法的、基于模擬退火遺傳算法的對對無人機航跡無人機航跡進(jìn)行進(jìn)行仿真仿真1、無人機航跡規(guī)劃方法的回顧無人機航跡規(guī)劃方法的回顧 航跡規(guī)劃方法的主要目的是在給定的規(guī)劃區(qū)域內(nèi)尋找航跡規(guī)劃方法的主要目的是在給定的規(guī)劃區(qū)域內(nèi)尋找一條一條最最優(yōu)的或滿意的優(yōu)的或滿意的飛行飛行航跡，因此從根本上講屬于一個航跡，因此從根本上講屬于一個路徑或航跡搜索的問題。路徑或航跡搜索的問題。其方法如下其方法如下:2、建立建立雷達(dá)威脅模型、航跡代價函數(shù)雷達(dá)威脅模型、航跡代價函數(shù) 雷達(dá)威脅模型雷達(dá)威脅模型:(本文著重考慮雷達(dá)威脅本文著重考慮雷達(dá)威脅)雷達(dá)方程雷達(dá)方程：簡化為：簡化為：可以根據(jù)方程計算無人機在每一點被發(fā)可以根據(jù)方程計算無人機在每一點被發(fā)現(xiàn)現(xiàn)的的概率從而優(yōu)化無人機的軌跡。概率從而優(yōu)化無人機的軌跡。建立建立航跡代價函數(shù)航跡代價函數(shù) 對無人機的規(guī)劃對無人機的規(guī)劃問題簡化為問題簡化為最短路徑的優(yōu)最短路徑的優(yōu)化問題化問題，則無人機的航路規(guī)劃問題可描述為，則無人機的航路規(guī)劃問題可描述為：只考慮航路的威脅代價和航路的油耗代價，只考慮航路的威脅代價和航路的油耗代價，則可建立以下航跡代價函數(shù)。則可建立以下航跡代價函數(shù)。2、介紹介紹無人機航跡規(guī)劃方法無人機航跡規(guī)劃方法著重介紹遺傳算法和模擬退火算法著重介紹遺傳算法和模擬退火算法。遺傳算法：遺傳算法：應(yīng)用遺傳學(xué)與進(jìn)化論來分析問應(yīng)用遺傳學(xué)與進(jìn)化論來分析問題求解問題。在其中，路徑被編碼題求解問題。在其中，路徑被編碼成類似基因的結(jié)構(gòu)。以代價函數(shù)為成類似基因的結(jié)構(gòu)。以代價函數(shù)為依據(jù)，通過對大量的路徑基因串的依據(jù)，通過對大量的路徑基因串的再生產(chǎn)、基因互換、個體變異等運再生產(chǎn)、基因互換、個體變異等運算，可以進(jìn)化出具有最優(yōu)基因的路算，可以進(jìn)化出具有最優(yōu)基因的路徑徑。模擬退火算法：模擬退火算法：模擬退火算法摹仿了熱力學(xué)中模擬退火算法摹仿了熱力學(xué)中的退火過程。在無人機航跡規(guī)劃問的退火過程。在無人機航跡規(guī)劃問題中。退火算法將題中。退火算法將“加熱加熱”在起始點在起始點附近一定范圍內(nèi)的所有點。然后不附近一定范圍內(nèi)的所有點。然后不斷進(jìn)行迭代運算，使所有的點的溫斷進(jìn)行迭代運算，使所有的點的溫度都逐漸冷卻。冷卻的速度根據(jù)一度都逐漸冷卻。冷卻的速度根據(jù)一個隨機產(chǎn)生的冷卻時間表決定。禁個隨機產(chǎn)生的冷卻時間表決定。禁飛區(qū)域被賦以更高的能量狀態(tài)，因飛區(qū)域被賦以更高的能量狀態(tài)，因而，冷卻過程將回避這些區(qū)域，在而，冷卻過程將回避這些區(qū)域，在迭代一定時間后，通過尋找規(guī)劃區(qū)迭代一定時間后，通過尋找規(guī)劃區(qū)域的最低溫度，可以得到最優(yōu)航跡域的最低溫度，可以得到最優(yōu)航跡。七種方法的優(yōu)缺點比較七種方法的優(yōu)缺點比較：七種算法正確率和復(fù)雜度比較七種算法正確率和復(fù)雜度比較復(fù)雜度正確率 模擬退火算法具有較高的正確率但是復(fù)雜度模擬退火算法具有較高的正確率但是復(fù)雜度也偏高；遺傳算法具有較低的復(fù)雜度，但是正確也偏高；遺傳算法具有較低的復(fù)雜度，但是正確率也較低率也較低。4.提出提出模擬退火遺傳算法模擬退火遺傳算法 模擬退火算法具有較高的模擬退火算法具有較高的正確率，遺傳算法具有較低正確率，遺傳算法具有較低的復(fù)雜度，的復(fù)雜度，本文嘗試將本文嘗試將它們它們兩種算法的取長補短的結(jié)合兩種算法的取長補短的結(jié)合。使用遺傳算法的染色體組使用遺傳算法的染色體組代替了模擬退火的解?；敬媪四M退火的解。基本的流程與模擬退火的過程很的流程與模擬退火的過程很相似相似，使用遺傳算法的種群使用遺傳算法的種群交叉，變異和選擇部分。代交叉，變異和選擇部分。代價函數(shù)差定義為新染色體平價函數(shù)差定義為新染色體平均適應(yīng)度函數(shù)值和原染色體均適應(yīng)度函數(shù)值和原染色體平均適應(yīng)度函數(shù)值之差。平均適應(yīng)度函數(shù)值之差。模擬退火遺傳算法模擬退火遺傳算法的正確率和復(fù)雜度分析的正確率和復(fù)雜度分析。復(fù)雜度復(fù)雜度正確率正確率 模擬退火遺傳算法復(fù)雜度和模擬退火算法相比模擬退火遺傳算法復(fù)雜度和模擬退火算法相比有所降低；同時相比遺傳算法這有點偏高?？梢?，有所降低；同時相比遺傳算法這有點偏高?？梢?，模擬退火遺傳算法綜合了遺傳算法和模擬退火算法模擬退火遺傳算法綜合了遺傳算法和模擬退火算法的特點。的特點。5、基于模擬退火遺傳算法的仿真、基于模擬退火遺傳算法的仿真航跡仿真曲線圖航跡仿真曲線圖航跡仿真曲線航跡仿真曲線放大放大圖圖在終點處放大曲線圖，可以看到終點處誤差為在終點處放大曲線圖，可以看到終點處誤差為107m。加積分環(huán)節(jié)，再次仿真加積分環(huán)節(jié)，再次仿真仿真圖仿真圖仿真放大圖仿真放大圖 加積分環(huán)節(jié)再次仿真，由放大圖知，誤差減小為加積分環(huán)節(jié)再次仿真，由放大圖知，誤差減小為4.8米，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。米，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。研究工作的總結(jié)和展望研究工作的總結(jié)和展望 本文分析本文分析7種典型的路徑規(guī)劃算法的基礎(chǔ)種典型的路徑規(guī)劃算法的基礎(chǔ)上，針對無人機任務(wù)的特殊性提出了模擬退上，針對無人機任務(wù)的特殊性提出了模擬退火遺傳算法，并使用火遺傳算法，并使用MATLAB軟件進(jìn)行了飛軟件進(jìn)行了飛行仿真行仿真，達(dá)到預(yù)期要求。在未來的航跡規(guī)劃，達(dá)到預(yù)期要求。在未來的航跡規(guī)劃中，隨著敵方機動性大大的增加，雷達(dá)，高中，隨著敵方機動性大大的增加，雷達(dá)，高炮，防空導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)移速度加快，敵方威脅的炮，防空導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)移速度加快，敵方威脅的位置將帶有一定的不確定性，具有實時更新位置將帶有一定的不確定性，具有實時更新功能的無人機航跡規(guī)劃系統(tǒng)將是必須的。所功能的無人機航跡規(guī)劃系統(tǒng)將是必須的。所以，在未來的無人機航跡規(guī)劃研究中，小而以，在未來的無人機航跡規(guī)劃研究中，小而輕的機載航跡規(guī)劃系統(tǒng)將是一種發(fā)展方向，輕的機載航跡規(guī)劃系統(tǒng)將是一種發(fā)展方向，同時具有對不確定威脅規(guī)劃能力的算法將得同時具有對不確定威脅規(guī)劃能力的算法將得到大力的發(fā)展。到大力的發(fā)展。謝謝大家！謝謝大家！