基于改进启发式算法的无人机航路规划

摘要

目前，无人机技术日益成为军事和民用领域的热点。无人机航路规划问题是无人机技术的重要组成环节。本文针对此问题进行了研究。提出了使用虚拟地形的方法，把无人机航路规划空间从三维转化到二维曲面上，然后使用启发式A*算法进行航路规划，计算出了无人机的规划航路。
　　 进行航路规划的前提条件是建立无人机航路规划模型。该模型是基于数字地图模型建立的，包括地形模型、无人机模型、威胁模型三个部分。本文讨论了数字地图的插值、平滑等相关技术。地形模型数据直接来自真实测量的DEM(数字高程模型)数据，无人机模型采用简单动力学模型，代表了飞行器本身的限制。威胁模型则重点讨论了雷达威胁的情况。
　　 基于航路规划分层的思想。航路规划采用Voronoi图划分的方法在二维区域针对威胁进行了初步划分，采用最短路径算法计算了最优航路，由于生成航路并不满足飞行器的可飞条件，因此后继采用B样条曲线对航迹进行了平滑处理。随后在三维空间进行无人机航路规划。由于三维空间的信息巨大，会导致算法效率的降低。本文使用虚拟地形方法，把威胁模型和约束条件融合到数字地图信息里，大大降低了算法需要处理的信息量。然后采用基于图搜索的A*算法进行规划，该算法具有变步长、代价可按权重分配的特点。给出了仿真结果和分析，仿真结果证明了该算法的可行性。
　　 本文最后根据目前的研究体会提出了航路规划问题的改进方案。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略语表

声明

第一章绪论

1.1无人机的发展史及现状和趋势

1.1.1发展过程及现状

1.1.2无人机的发展趋势

1.2无人机航路规划技术

1.2.1航路规划的意义

1.2.2航路规划的发展现状和趋势

1.3本文的主要内容

第二章航路规划模型

2.1数字地图技术

2.1.1数字地图技术概述

2.1.2数字高程模型

2.1.3数字地图的插值

2.2无人机模型

2.2.1坐标系统和无人机运动参数

2.2.2无人机的动力学模型

2.2.3无人机的性能指标约束

2.3地形模型的建立

2.3.1地形信息的模拟产生方法

2.3.2利用USGS DEM建立地形模型

2.3.3数字地图的平滑处理

2.4威胁信息模型

2.4.1地形威胁

2.4.2雷达威胁

2.5本章小结

第三章无人机参考航路规划

3.1航路规划分层的意义

3.2威胁环境的Voronoi图划分

3.2.1 Voronoi图

3.2.2用Voronoi图对威胁环境进行划分

3.3最优参考航路计算

3.4航路平滑处理

3.5本章小结

第四章基于改进启发式算法的无人机航路规划

4.1启发式A*算法

4.2航路规划空间

4.2.1离散化

4.2.2无人机动力学方程

4.2.3虚拟地形法—三维空间的二维处理

4.3改进启发式A*算法航路规划

4.3.1搜索步长和搜索空间

4.3.2代价函数组成

4.3.3程序说明

4.3.4算法仿真

4.3.5算法分析

4.4算法的继续改进

4.4.1搜索窗口的动态变化

4.4.2代价权重系数的动态变化

4.4.3改进总结

4.5本章小结

第五章总结和展望

5.1本文总结

5.2问题展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果