動(dòng)態(tài)環(huán)境中的無人機(jī)路徑規(guī)劃研究.pdf

1、路徑規(guī)劃是無人機(jī)自主任務(wù)規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)之一。好的路徑規(guī)劃方法可以降低無人機(jī)任務(wù)油耗、提高無人機(jī)生存能力。本文以無人機(jī)為研究對(duì)象，采用基于采樣的方法，研究了動(dòng)態(tài)環(huán)境中的無人機(jī)路徑規(guī)劃問題。本文的研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)簡述如下：
　　1．針對(duì)環(huán)境建模提出了一種對(duì)不同類型障礙物分別處理的方法?；诓蓸拥姆椒ú捎没緲?gòu)型近似表示環(huán)境中的障礙物，而地形障礙采用基本構(gòu)型近似表示會(huì)丟失大量的信息。為了更好的表示環(huán)境信息，將地形障礙與其他障礙物分開處理

2、，用基本構(gòu)型近似表示障礙物，而直接采用柵格法表示地形信息，然后采用基于采樣的方法對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行綜合。
　　2.為了提高概率地圖法在含有窄通道的環(huán)境中的效率，提出了一種改進(jìn)的路線圖構(gòu)造方法。好的采樣策略可以用較少的采樣點(diǎn)完成對(duì)自由空間的覆蓋并能很好的描述其連通性，目前的采樣策略需要補(bǔ)充采樣來達(dá)到聯(lián)通窄通道的目的。為了提高采樣效率，在分析已有各種算法優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過引入人工勢(shì)場(chǎng)法的思想，提出了一種改進(jìn)的概率地圖法，使得算法對(duì)不同的

3、環(huán)境都能具有較好的適應(yīng)能力。仿真研究表明，改進(jìn)算法能夠在窄通道中得到足夠的采樣點(diǎn)，對(duì)不同的環(huán)境具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。
　　3．對(duì)于蟻群算法在概率地圖中的應(yīng)用，引入了一種新的啟發(fā)信息，并對(duì)信息素的更新機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)。在蟻群算法的基礎(chǔ)上，將方向信息作為啟發(fā)信息引入蟻群算法，并采用基于排序的信息素更新機(jī)制，使螞蟻更傾向于搜索目標(biāo)所在的方向。仿真結(jié)果表明，新的啟發(fā)信息能夠極大的提高算法的搜索效率。其次，修改了蟻群算法的信息素更新規(guī)則，使其可以

4、同時(shí)優(yōu)化多個(gè)目標(biāo)。最后，通過引入Pareto解集，播撒不同種類的信息素，使蟻群算法可以同時(shí)優(yōu)化路徑長度和威脅大小兩個(gè)目標(biāo)，并能得到一組非支配解，有利于決策者選擇合適的路徑。
　　4．對(duì)D*Lite算法在概率地圖中的應(yīng)用，引入了無人機(jī)約束，改進(jìn)了信息更新機(jī)制，修改了距離和啟發(fā)函數(shù)計(jì)算方法。D* Lite算法得到的路徑?jīng)]有考慮無人機(jī)的約束，可能會(huì)不滿足無人機(jī)可飛的要求，因此在D* Lit e算法搜索可行節(jié)點(diǎn)過程中加入了無人機(jī)的約束，去

5、除了不滿足約束的節(jié)點(diǎn)。部分突發(fā)威脅沒有出現(xiàn)在無人機(jī)的當(dāng)前路徑上，對(duì)無人機(jī)沒有影響，這種情況下不需要重新規(guī)劃路徑，因此對(duì)D* Lit e算法作了改進(jìn)，將不必要的信息更新延遲到需要時(shí)進(jìn)行。為了避免得到的路徑在不同高度間頻繁切換，增大了算法距離公式和啟發(fā)函數(shù)公式中高度的權(quán)重。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的D* Lite算法得到的路徑可以滿足無人機(jī)約束要求，搜索到的路徑更平滑，避免了飛機(jī)高度的頻繁切換。
　　5．提出了一種改進(jìn)的快速隨機(jī)搜索樹方法。

6、針對(duì)含有窄通道環(huán)境中的搜索樹構(gòu)建問題，通過引入采樣點(diǎn)的移動(dòng)，將落在障礙物上的采樣點(diǎn)移動(dòng)到窄通道中，提高了路徑搜索效率。為了實(shí)現(xiàn)突發(fā)威脅情況下的快速重規(guī)劃，將快速隨機(jī)搜索樹方法和D* Lite算法相結(jié)合。通過利用搜索樹構(gòu)建中得到的信息，D*Lite算法可以快速生成替代路徑。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的快速隨機(jī)搜索樹方法可以用更少的采樣點(diǎn)搜索到路徑，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)威脅時(shí)能更快的得到替代路徑。
　　6．對(duì)于動(dòng)態(tài)環(huán)境中的路徑規(guī)劃問題，提出了一種引入時(shí)

7、間軸的方法。為了表示運(yùn)動(dòng)障礙物在所有時(shí)刻的可能位置，在構(gòu)型空間基礎(chǔ)上引入時(shí)間軸，將構(gòu)型空間擴(kuò)展為構(gòu)型-時(shí)間空間。然后提出了兩種構(gòu)型-時(shí)間空間中的路徑規(guī)劃方法：直接在構(gòu)型-時(shí)間空間中采樣然后構(gòu)建路線圖并進(jìn)行路徑生成的直接搜索法，和先在構(gòu)型空間中構(gòu)建路線圖然后在構(gòu)型-時(shí)間空間中搜索的兩步法，解決了包含動(dòng)態(tài)障礙物的環(huán)境中的最短路徑問題和給定到達(dá)時(shí)間條件下的路徑規(guī)劃問題。在路徑生成階段，提出了一種改進(jìn)的蟻群算法，通過對(duì)螞蟻的引導(dǎo)使螞蟻在初始搜索

8、路徑時(shí)更有針對(duì)性。仿真結(jié)果表明，構(gòu)型-時(shí)間空間可以解決動(dòng)態(tài)環(huán)境的表示問題，改進(jìn)蟻群算法可以更快的收斂到全局最優(yōu)解。
　　7．針對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境中的路徑重規(guī)劃問題，將快速隨機(jī)搜索樹方法應(yīng)用到構(gòu)型-時(shí)間空間中，并作了改進(jìn)。在構(gòu)建搜索樹時(shí)，動(dòng)態(tài)添加采樣點(diǎn)時(shí)間維坐標(biāo)，并保存計(jì)算得到的路徑段結(jié)果，動(dòng)態(tài)規(guī)劃時(shí)引入排序機(jī)制并利用已有的路徑段快速構(gòu)建搜索樹，提高了算法在動(dòng)態(tài)規(guī)劃中的效率。仿真結(jié)果表明，在出現(xiàn)突發(fā)移動(dòng)威脅后動(dòng)態(tài)快速搜索隨機(jī)樹算法可以更快的