無人飛艇的路徑規(guī)劃研究.pdf

1、無人飛艇的路徑規(guī)劃問題是指在特定的約束條件下, 尋找飛艇從初始點到目標(biāo)點滿足某種性能指標(biāo)最優(yōu)的運動軌跡，從某種意義上講,路徑規(guī)劃問題就是使明確的目標(biāo)與各種限制函數(shù)相匹配的最優(yōu)化問題，其中完整、準(zhǔn)確的飛艇運動模型是無人飛艇路徑規(guī)劃問題需要考慮的最重要的限制條件，其次，還有控制量的變化界限也是極其重要的約束條件?；谶\動模型和控制量變化的共同約束作用，選擇適當(dāng)?shù)穆窂揭?guī)劃算法，求取性能目標(biāo)函數(shù)的最小值，得到描述飛艇運動空間位置的軌跡曲線和控制

2、量的變化曲線。 飛艇是一種不同于常規(guī)飛行器的飛行器，運動情況比較復(fù)雜，有自身的運動特點，建立完整、準(zhǔn)確的非線性模型是研究無人飛艇的路徑規(guī)劃問題的前提條件，遺傳算法為解決非線性系統(tǒng)的路徑規(guī)劃問題提供了有力的應(yīng)用前景，在模型線性化理論的基礎(chǔ)上，最優(yōu)控制理論中的最小值原理也為解決無人飛艇的路徑規(guī)劃問題提供了便利。這些研究方法，是解決無人飛艇的路徑規(guī)劃問題的大膽嘗試，對實際情況下飛艇的路徑規(guī)劃具有一定的參考意義，也對研究飛艇運動的制導(dǎo)律

3、和運動軌跡的跟蹤控制技術(shù)具有一定的實際指導(dǎo)意義。概括來說，本文主要的研究工作有以下幾個方面： 1.首先介紹了飛艇發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀，給出了無人飛艇路徑規(guī)劃的目的、意義以及研究現(xiàn)狀，指出建立飛艇運動完整準(zhǔn)確的非線性模型是研究無人飛艇路徑規(guī)劃問題的基礎(chǔ)，從無人飛艇的建模技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)剖析了建立非線性模型過程中會遇到的難點和問題。 2.由于飛艇與無人機、機器人在結(jié)構(gòu)、運動特性方面的相似性和異同點，借鑒已經(jīng)被廣泛研究的無人機和

4、機器人的路徑規(guī)劃問題的解決算法，針對無人飛艇路徑規(guī)劃問題的特殊性——注重飛艇自身的運動特性，不必考慮對飛艇周圍環(huán)境的建模分析，提出了無人飛艇的路徑規(guī)劃問題的解決算法—基于非線性模型的遺傳算法和基于模型線性化后的最小值原理。 3.由于缺乏建模實驗數(shù)據(jù)，本文采用機理分析法，利用一定的假設(shè)理想條件，具體分析飛艇運動過程中的受力情況，考慮附加質(zhì)量、推力矢量等因素影響，在機體坐標(biāo)系中，根據(jù)動量定理和動量矩定理寫出飛艇運動的動力學(xué)和運動學(xué)方

5、程，得到了描述飛艇運動完整的六自由度非線性模型。 4.對于飛艇運動初始點和目標(biāo)點在空間有一定高度差的路徑規(guī)劃問題，選擇飛艇運動的非線性模型作為約束限制條件，路徑規(guī)劃問題的性能目標(biāo)函數(shù)是運動過程中能量、時間消耗量的最小值?；跈?quán)重系數(shù)法將雙目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，把時間區(qū)間等份化，在各小段時間區(qū)間內(nèi)用線性函數(shù)、正余弦函數(shù)分別表示各控制量的變化規(guī)律，采用遺傳算法和單步Runge-Kutta法求取控制量和飛艇空間位置變化的軌

6、跡曲線。在Matlab遺傳算法工具箱下進行多次仿真，仿真結(jié)果說明：增加時間區(qū)間的等份數(shù)可以改善路徑規(guī)劃問題的解。 5.對于飛艇運動的非線性模型，利用傳統(tǒng)的線性化方法—小干擾法將模型線性化，線性化的前提是把飛艇的運動看成是縱向的基準(zhǔn)運動和橫側(cè)向的擾動運動，由于采用的是線性化后的運動模型，來源于最優(yōu)控制理論的最小值原理成為了解決路徑規(guī)劃問題的比較便利的方法，這時的性能目標(biāo)函數(shù)是從初始點到目標(biāo)點運動過程中能量消耗的最小值。利用Matl