动态环境下旋翼飞行器任务决策与轨迹规划

摘要

本课题以国际空中机器人大赛第七代任务(IARC Mission7a)为背景，第七代任务要求旋翼飞行器能够驱赶多个目标机器人到期望区域中同时避开障碍物。本文研究在有移动目标机器人和移动障碍物的动态环境下的旋翼飞行器任务决策与轨迹规划问题，论文主要工作如下：
　　首先，建立旋翼飞行器的动力学模型以及目标与障碍物机器人的运动学模型，建立IARC任务决策问题的数学描述，给出轨迹规划问题的描述。
　　其次，研究环境完全可观察与局部可观察下的任务决策问题。在环境完全可观察时设计决策搜索方法，给出局面估值函数，考虑时效性和决策震荡问题，提出一种剪枝策略和决策震荡抑制方法。考虑环境局部可观察时带来的状态预测误差影响局面估值和巡航策略问题，在局面估值函数中引入遗忘曲线作为视野外目标机器人预测状态的加权因子；建立热度地图描述已观测和未观测的区域，提出环境局部可观察时带有巡航策略的任务决策方法。仿真结果说明所提出方法的可行性和有效性。
　　然后，研究轨迹规划与平滑问题。为了在轨迹规划中能够同时考虑路径长短与曲折程度,引入折线段作为描述路径的构型参数，提出一种基于折线段构型的赛场环境建模方法；给出一种改进的Dijkstra算法；针对规划中产生的路径不平滑问题，提出采用贝赛尔曲线插值方法对路径进行平滑处理。仿真结果说明所提出的轨迹规划和平滑算法的可行性。
　　最后，研究任务决策与轨迹规划控制算法实现问题。搭建仿真实验平台，给出算法流程和跟踪控制器设计，通过仿真实验说明算法的可行性和有效性，并分析不同参数对结果的影响。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 论文主要内容及章节安排

第2章 系统建模及问题描述

2.1 引言

2.2 任务需求分析

2.3 坐标系定义

2.4 运动学与动力学模型

2.5 问题描述

2.6 本章小结

第3章 任务决策算法设计

3.1 引言

3.2 环境完全可观察下的任务决策算法设计

3.3 环境部分可观察下的任务决策算法设计

3.4 仿真结果与分析

3.5 本章小结

第4章 轨迹规划算法设计

4.1 引言

4.2 基于构型空间的环境建模

4.3 基于改进Dijkstra算法的路径规划

4.4 基于贝塞尔曲线的路径平滑算法设计

4.5 仿真结果与分析

4.6 本章小结

第5章 任务决策与规划控制算法实现

5.1 引言

5.2 实验平台的搭建

5.3 任务决策与规划控制算法实现

5.4 仿真结果与分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录A 最短路问题对偶问题及对偶原理

附录B Dijkstra算法伪代码

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢