无人机航路规划评估及修正方法研究

摘要

任务规划系统（Mission Plan System）是无人机（Unmanned Aerial Vehicle，U AV）相关应用技术的一个重要内容，它为无人机分配任务，指引无人机的行动方向。在近年来局部战争中作用发挥明显，世界各国在军事应用中都在广泛关注无人机。无人机航路规划(Path Planning)技术是任务规划系统的重要组成部分，是无人机实现智能导航和安全顺利完成任务的技术保障。研究无人机航路规划问题的本质就是研究多约束条件下，求解多目标函数极值的问题。规划出导航准确性高、安全性高、适应任务需求的最优或次优航路，对提高无人机系统作战效能有重要意义。
　　论文主要是针对当前无人机飞行训练、执行作战任务时，离线航路规划缺乏评估，航路实用性不强，在线航路规划修正不及时，无人机飞行安全系数低的现状，进行无人机航路规划评估及修正方法研究。论文分析了无人机的物理特性约束建立了无人机航路规划数学模型，分析了无人机的飞行环境约束建立了环境模型，分析了无人机飞行航路潜在的威胁源建立了航路规划威胁源模型。论文概括和总结了无人机航路规划问题，分析了几种比较典型的规划算法，对静态离线无人机航路规划评估算法进行了探讨，主要研究基于毁伤概率密度的无人机航路突防算法，飞行约束评估算法。运用A*算法和B样条曲线拟合方法对无人机航路进行在线修正，设定了仿真环境，基于五个方面考虑对无人机航路修正进行仿真，一是考虑无人机探测半径的航迹修正，二是包含不规则障碍物的航迹修正，三是考虑突发情况的航迹修正，四是考虑目标位置改变的航迹修正，五是考虑目标变异的航迹修正，仿真结果表明，每种考虑情况的航向角控制量都能满足的最大转弯角速率要求，所生成的平滑航迹有效且满足要求。
　　本文以某型小型战术无人机的训练为背景，开展无人机航路规划评估及修正方法研究，设计并实现了某型小型战术无人机离线航路规划评估软件。软件重点对无人机航路数据管理功能、无人机航路评估功能、无人机航路及评估结果显示功能、飞行地图操作功能、无人机航路再规划（即优化调整）功能和态势标绘功能进行了测试，测试结果表明该软件人机交互功能良好，能够满足航路规划的实际应用需求。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1. 2 国内外发展及研究现状

1. 2. 1 航路规划算法及评估的研究现状

1. 2. 2 航路修正的研究现状

1.3 论文主要研究工作和组织结构

第2章 无人机航路规划威胁模型分析

2.1 引言

2.2 无人机航路规划约束的数学模型

2. 2. 1 最小航迹段长度

2. 2. 2 最大爬升/俯冲角

2. 2. 3 最大转弯角

2. 2. 3 最大航迹长度

2. 2. 5 最低飞行高度

2.3 无人机航路规划环境约束模型

2. 3. 1 地形环境模型

2. 3. 2 大气环境模型

2.4 无人机航路规划威胁源模型

2. 4. 1 雷达探测威胁源模型

2. 4. 2 电磁干扰威胁源模型

2. 4. 3 防空火炮威胁源模型

2. 4. 4 防空导弹威胁源模型

2. 4. 5 禁飞区威胁模型

2.5 本章小结

第3章 无人机航路规划评估及修正方法

3.1 引言

3.2 典型的航路规划算法分析

3. 2. 1 遗传算法

3. 2. 2 蚁群算法

3. 2. 3 A*算法

3.3 B样条航路平滑修正方法

3.4 航路威胁评估算法

3. 4. 1突防概率和毁伤概率

3. 4. 2 毁伤概率密度的计算

3. 4. 3 基于毁伤概率密度无人机航路评估方法

3.5 基于A*搜索算法和B样条曲线拟合法进行在线航路修正

3. 5. 1 算法框架

3. 5. 2 仿真研究

3.6 本章小结

第4章 无人机航路规划评估软件设计和实现

4.1 引言

4.2 软件总体方案设计

4. 2. 1 软件功能需求分析

4. 2. 2 软件开发与运行环境

4. 2. 3 软件架构设计

4. 2. 4 软件系统界面设计

4.3 软件功能实现

4. 3. 1 地图显示功能实现

4. 3. 2 图上标绘功能实现

4. 3. 3 航线管理功能实现

4. 3. 4 威胁管理功能实现

4. 3. 5 威胁评估功能实现

4. 3. 6 数据存储功能实现

4.4 使用流程及运行实例

4. 4. 1 使用流程

4. 4. 2 运行实例

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢