基于多阶段航迹预测的UAVs实时任务规划

摘要

无人驾驶飞行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）又称无人机，因其成本低、适应性强、隐蔽性好等优点而越来越被广泛使用。UAV最大的优势在于其研发、制造和使用的成本远低于有人飞机，因此无论是军用还是民用都有着广阔的前景。随着各部分技术的不断发展，不仅单架UAV完成任务的能力越来越强，多 UAV协同的能力也应越来越强，针对UAV集群任务规划的研究非常有必要。任务规划问题是UAV自主控制的关键，而任务规划的效果则取决于对航迹的精确预测。然而在现实应用中，各种不确定的因素将会给预测结果带来较大的偏差。针对UAV集群的任务规划必须基于由任务分配子系统、航迹规划子系统以及导航控制子系统组成的三级结构来完成，而各级之间的关系很大程度的决定了任务规划的结果。
　　本研究旨在通过改进任务规划系统来提高规划效率。多阶段航迹预测方法包括航迹估计、折线航迹规划、平滑航迹生成及交会航迹生成几个阶段。在每个规划周期中，各个阶段的结果都将被反馈给任务分配子系统，进而优化任务规划结果。航迹估计阶段基于局部A*算法计算所有UAV与所有目标间的路径。折线航迹规划阶段在分配结果已经获得的基础上基于全局A*算法规划折线航迹。航迹平滑阶段基于B-spline方法，平面移动和高度变化被解耦考虑。UAV集群所处的场景中存在多对一联合任务时，还要UAV之间的交会过程，并对原有航迹进行修正。修正过程基于Dubins模型，它具有计算量小的特点，同时可以对航程进行准确的估计。任务规划的整体能效包括效果和效率两方面，作为一种实时方法，前者决定此算法的优劣，后者决定算法的可行性，所以两部分都至关重要。本文对基于航迹预测的航迹规划系统展开功能性的仿真研究，包括任务规划的整体能效研究，以及考虑联合任务的情况下的任务规划效果。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 UAV自主控制的研究现状

1.3 UAVs任务规划的研究现状

1.4 本文主要研究内容及章节安排

第2章 任务规划模型及航迹预测原理

2.1 引言

2.2 UAVs任务规划模型

2.3 多阶段航迹预测原理

2.4 本章小结

第3章 确定环境下的预测航迹生成

3.1 引言

3.2 航迹估计及航迹规划

3.3 基于B-spline的航迹平滑

3.4 仿真研究

3.5 本章小结

第4章 考虑交会的预测航迹修正

4.1 引言

4.2 边界条件确定

4.3 交会航迹生成

4.4 仿真研究

4.5 本章小结

第5章 多阶段航迹预测仿真研究

5.1 引言

5.2 基于航迹预测的任务规划能效

5.3 考虑联合任务的任务规划场景

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢