題目無人機(jī)自主飛行航跡規(guī)劃問題

1、題目無人機(jī)自主飛行航跡規(guī)劃問題摘要本文分別研究了基于二維平面和三維空間的最優(yōu)航跡規(guī)劃問題。對(duì)于第一問，我們?cè)诤雎缘匦魏蜔o人機(jī)操作性能等因素影響的基礎(chǔ)上，將影響無人機(jī)飛行的“敵方雷達(dá)威脅”和“飛行燃油代價(jià)”兩個(gè)因素進(jìn)行了量化處理，建立了雷達(dá)威脅模型和燃油代價(jià)模型，并在這兩個(gè)模型的基礎(chǔ)上建立了基于二維平面的最優(yōu)航跡規(guī)劃模型。在求解該模型時(shí)，我們依據(jù)圖論中的相關(guān)理論，將二維平面劃分成了若干網(wǎng)格，然后使用Dijkstra算法來求最優(yōu)航跡。對(duì)于第

2、二問，我們?cè)诘谝粏柕哪Ｐ偷幕A(chǔ)上，同時(shí)考慮了地形因素和無人機(jī)的操作性能（主要是拐彎），增加了“無人機(jī)飛行高度代價(jià)”和“無人機(jī)操作性能”兩個(gè)指標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行了量化處理。同時(shí)，我們對(duì)雷達(dá)威脅模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，建立了一個(gè)較復(fù)雜的、基于三維空間的最優(yōu)航跡規(guī)劃模型。在求解該模型時(shí)，我們將三維空間劃分為若干個(gè)小方塊，在“無人機(jī)操作性能”作為補(bǔ)充約束條件的基礎(chǔ)上，采用蟻群算法，得到了最優(yōu)航跡。在建立以上兩個(gè)模型的基礎(chǔ)上，我們對(duì)每個(gè)模型的可行性分別

3、進(jìn)行了分析。由于規(guī)劃的約束條件眾多而且模糊性大、研究的各因素之間的相互聯(lián)系及不同種類無人機(jī)的控制方式和任務(wù)情況各異，因而模型存在著一定的缺陷。我們用MATLAB對(duì)建立的兩個(gè)模型進(jìn)行了仿真，分別得到了基于二維平面的最優(yōu)航跡和基于三維空間最優(yōu)航跡。此外，我們分析了所建模型的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)模型的完善進(jìn)行了進(jìn)一步的探索。關(guān)鍵詞：最優(yōu)航跡Dijkstra算法蟻群算法MATLAB仿真2一、問題的重述無人機(jī)的發(fā)展至今已有70多年的歷史，其軍事應(yīng)用主要是

4、執(zhí)行各種偵察任務(wù)。隨著無人機(jī)平臺(tái)技術(shù)和機(jī)載遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，它的軍事應(yīng)用范圍已經(jīng)得到大大的擴(kuò)展，并且這種擴(kuò)展還將持續(xù)下去，如通信中繼、軍事測繪、電子對(duì)抗、信息攻擊等。特別是精確制導(dǎo)武器技術(shù)的發(fā)展，又使它成為搭載這種武器的理想平臺(tái)。眾所周知，“自主飛行”的能力是無人駕駛飛機(jī)所必須具有的。如果要實(shí)現(xiàn)無人駕駛飛機(jī)的自主飛行那么就要求無人駕駛飛機(jī)具有相當(dāng)程度的飛行航跡規(guī)劃能力。無人機(jī)的航跡規(guī)劃是指其為了圓滿完成任務(wù)而作的計(jì)劃。它往往指單機(jī)在初

5、始位置、終止位置和一些目標(biāo)任務(wù)結(jié)點(diǎn)確定之后的航跡規(guī)劃問題其基本功能是根據(jù)無人機(jī)的性能和飛經(jīng)的地理環(huán)境、威脅環(huán)境等因素對(duì)已知的目標(biāo)規(guī)劃提出滿足要求的航跡以便在實(shí)際飛行時(shí)可以根據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的局部修改。現(xiàn)在要討論如下的情況：假定無人機(jī)的活動(dòng)范圍為20km20km的區(qū)域，無人機(jī)起點(diǎn)的平面坐標(biāo)為[12](單位：km)攻擊目標(biāo)的平面坐標(biāo)為[1918](單位：km)，同時(shí)不考慮無人機(jī)起飛和降落時(shí)的限制。數(shù)字地圖和敵方威脅情況(主要考慮雷達(dá)威脅)可以

6、從附件中查得。數(shù)字地圖可以做適當(dāng)?shù)暮喕?，比如可以把地形近似分為三種：高地，低地以及過渡地帶。具體問題如下：問題1：忽略地形和無人機(jī)操作性能等因素的影響，綜合考慮敵方威脅情況、無人機(jī)航程等因素，基于二維平面建立單機(jī)單目標(biāo)的航跡規(guī)劃模型。問題2：把模型擴(kuò)展到三維空間，并同時(shí)考慮無人機(jī)的操作性能（主要考慮拐彎）和地形因素。問題3：試討論和分析上述模型的可行性，并做仿真分析。二、問題的分析對(duì)于問題一，經(jīng)過分析后我們認(rèn)為平面是一個(gè)連續(xù)的集合，為了

7、便于研究，我們將無人機(jī)能夠活動(dòng)的平面劃分成有限個(gè)正方形的網(wǎng)格，這樣就可以把無限的、連續(xù)的研究對(duì)象轉(zhuǎn)化為有限的、離散的，便于計(jì)算和研究。另外，這樣劃分也可以保證計(jì)算結(jié)果的精度。另外，要考慮敵方的威脅（這里主要指雷達(dá)威脅），那么就要將雷達(dá)的“威脅程度”進(jìn)行量化。在進(jìn)行了量化之后，就可以考慮構(gòu)建威脅模型。在上述準(zhǔn)備工作完成之后，就要根據(jù)量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)航跡的求解。因?yàn)槲覀冊(cè)诒締栔兴⒌哪Ｐ颓蠼獾氖亲顑?yōu)航跡，所以可以使用Dijkstra算法

8、進(jìn)行求解。問題二要求把模型擴(kuò)展到三維空間，并同時(shí)考慮無人機(jī)的操作性能（主要考慮拐彎）和地形因素。經(jīng)過分析我們認(rèn)為，問題二是在問題一的基礎(chǔ)上把問題拓展到三維空間里綜合考慮雷達(dá)威脅因素、地形因素和飛機(jī)本身的因素建立一個(gè)可以確定飛機(jī)最優(yōu)航跡的綜合模型。因此，無人機(jī)的航跡規(guī)劃問題可轉(zhuǎn)化為一個(gè)帶約束的優(yōu)化問題。如果對(duì)規(guī)劃空間進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，可得到若干節(jié)點(diǎn)從而構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)格圖，則優(yōu)化問題的搜索空間就轉(zhuǎn)化為一個(gè)離散的空間節(jié)點(diǎn)集而問題的求解也可簡單歸結(jié)