無人旋翼飛行器的三維在線航跡規(guī)劃研究-王興龍(8)

1、第二十八屆（2012）全國直升機年會論文無人旋翼飛行器的三維在線航跡規(guī)劃研究王興龍宋彥國（南京航空航天大學直升機旋翼動力學國家級重點實驗室，南京210016）摘要：無人旋翼飛行器的航跡規(guī)劃系統(tǒng)包含初始參考航跡的確定和在線航跡規(guī)劃。初始參考航跡是在執(zhí)行飛行任務前根據(jù)所經(jīng)區(qū)域內(nèi)已知的地形、地貌、障礙和威脅等信息以及飛機本身機動能力的限制計算出初始飛行航跡；在線航跡規(guī)劃是當飛行環(huán)境中有預先未知威脅出現(xiàn)時，可根據(jù)更新后的信息重新規(guī)劃來獲得新的全

2、局最優(yōu)航跡。本文利用進化算法規(guī)劃出初始參考航跡，利用A算法進行航跡在線重規(guī)劃。仿真結(jié)果表明，進化算法得到了很好的初試參考航跡，A算法的搜索速度滿足了在線航跡規(guī)劃的實時性要求。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：無人旋翼飛行器在線航跡規(guī)劃進化算法A算法1引言引言無人旋翼飛行器的航跡規(guī)劃是指在給定的規(guī)劃空間內(nèi)，在滿足眾多約束條件的情況下，尋找出一條從起始點到目標點的最優(yōu)或次優(yōu)的飛行航跡，該條航跡要盡量減少無人飛行器在飛行過程中被敵方雷達等探測設施捕獲和被敵方火力

3、單元摧毀以及撞地或撞山的概率，這對航跡規(guī)劃系統(tǒng)提出了更高的要求。為了滿足這些要求，需要在規(guī)劃方法，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，甚至交互式界面等方面進行大量研究工作，這正是現(xiàn)在所面臨的主要任務。目前針對航跡規(guī)劃問題提出了很多優(yōu)化方法這些方法各有優(yōu)缺點很難同時滿足實時性、全局最優(yōu)性的要求。文獻[1]討論了A算法在二維水平航路的規(guī)劃應用和基于蟻群算法的航路規(guī)劃研究，但都僅限于離線航跡規(guī)劃，對時間沒有渴求的場合，未提及在線航跡規(guī)劃；文獻[2]介紹了基于RTRS(

4、一種針對靜止目標的UAV在線實時航跡搜索方法)的在線航跡規(guī)劃的方法，但卻沒有討論飛行過程中一旦出現(xiàn)新的威脅，在線重規(guī)劃能否滿足實時性要求；文獻[3]考慮了二維平面的實時航跡規(guī)劃，但這只適用于機器人的二維航路規(guī)劃，不能滿足無人飛行器的三維航跡規(guī)劃要求。由于進化算法不受空間限制性假設約束，不要求優(yōu)化函數(shù)具有連續(xù)、導數(shù)存在等假設，對航跡規(guī)劃這種含有大量模糊信息、多約束的問題，總能搜索到全局最優(yōu)解或者近似最優(yōu)解，并且改進的A算法具有高速的搜索速

5、度和效率，所以本文擬采用進化算法和A算法相結(jié)合的方法作為航跡規(guī)劃系統(tǒng)的核心算法進行航跡在線重規(guī)劃研究。2基于進化算法的初始航跡規(guī)劃基于進化算法的初始航跡規(guī)劃進化算法是一種基于生物進化理論的群體搜索技術(shù)，是一種迭代算法，它是從某個初始解集出發(fā)，遵循一定的操作規(guī)則，比如選擇、復制、交叉、變異等遺傳操作，不斷地通過迭代計算以得到新一代解集，并根據(jù)個體的適應度，按照“適者生存、優(yōu)勝劣汰”的法則，引導搜索過程向“最適應環(huán)境”的個體(即最優(yōu)解)逼近

6、，逐代的演化出越來越優(yōu)的近似解，最終能收斂到最優(yōu)解或滿意解。任何進化計算技術(shù)需要首先確定基因編碼的方式，用以表達所研究的問題。本文的進化算法采用實值基因編碼方式，如圖2.1所示，每個染色體代表一條航跡，它由一系列航跡節(jié)點構(gòu)成，航跡至圖2.5所示。圖2.2第0代個體圖2.3第50代個體圖2.4第150代個體圖2.5最優(yōu)航跡平面圖圖2.2至圖2.4表明，最優(yōu)個體在經(jīng)過150迭代后其代價值已經(jīng)保持不變，說明進化算法收斂到了全局最優(yōu)解，代價值最

7、小的個體即為最優(yōu)航跡。從圖2.5最優(yōu)航跡平面圖中可以看出，最優(yōu)航跡成功的避開了威脅和障礙，而且整條航跡的航跡點少，拐彎角小，飛行過程中不用頻繁轉(zhuǎn)彎，有利于飛行安全。3在線航跡規(guī)劃在線航跡規(guī)劃3.1A算法原理A算法屬于人工智能中一種經(jīng)典啟發(fā)式最優(yōu)化算法，在具有二維規(guī)劃環(huán)境的機器人路徑規(guī)劃中是被許多學者認為是最實用的搜索算法。A搜索算法的代價函數(shù)由兩部分組成，函數(shù)形式為：)13()()()(???nhngnf式中表示某個待擴展節(jié)點設表示起始

8、點表示目標點。則表示從起始點到當前點nSG)(ng的實際代價值表示從當前點到目標點的估計函數(shù)稱之為啟發(fā)函數(shù)。就表示從起始點)(nhG)(nf出發(fā)通過節(jié)點到達目標點的最小代價路徑的估計值。A算法的思想就是每次在多個候選節(jié)點Sn中選擇值最小的節(jié)點進行擴展。f用A算法在三維環(huán)境中進行在線的航跡規(guī)劃，由于搜索空間的巨大，必然會導致算法的復雜性，在線規(guī)劃所需要的時間增長，所以有必要通過縮小搜索范圍和降維處理來簡化算法，以便滿足在線規(guī)劃的實時性要求