基于二维连通图的无人机快速三维路径规划

针对复杂真实环境下无人机三维路径规划解算速度慢的问题，提出一种基于二维连通图的快速三维路径规划方法。首先解析真实地理环境的地形特征和建筑要素，构建基于数字高程模型(DEM)的多层次等效三维数字地图；在此基础上，经过无人机可行空域到二维连通图的转化、连通图中的路径规划及路径的三维化与优化，快速获得一条可执行的三维路径。针对连通图中的全局路径规划，设计了一种基于步长地图的变步长稀疏A^*算法，在保证路径质量的同时有效降低路径搜索的时间；针对连通图中的局部路径规划，提出一种基于障碍预测的随机路标图(PRM)实时路径重规划算法，以满足无人机的实时性避障需求。分别在山地环境和城市环境中进行仿真飞行，结果表明：所提方法能够有效降低三维路径规划的解算难度，在短时间内完成复杂环境下不同尺度和需求的路径规划，全局路径规划算法同比三维A^*算法和基于二维连通图的二维A^*算法搜索时间分别降低了99%和95%，局部路径重规划算法能够在1 s的单次采样周期内完成路径重规划，实时躲避未知障碍物，保证飞行过程的安全。     

Risk Theta*:一种基于地形危险度的任意航向路径规划算法

提出了一种基于地形危险度的任意航向路径规划算法——Risk Theta*。首先以星球表面地形特征统计分析为基础提出了地形危险度指标,并建立地形危险度地图。在此基础上应用Basic Theta*搜索,以危险度最低为方向搜索最优路径。仿真实验证明,该算法能够在栅格地图上找到比A*和Basic Theta*算法危险度低得多、长度相当的任意航向路径,既显著提高了巡视器的安全性,又满足了星球巡视探测对任意航向行驶的迫切需求,因此具有较强的实用性。     

三维真实地形环境下无人机救援航路规划方法

利用无人机(UAV)的三维飞行能力,采用优化方法规划路径,能够使其在救援任务中比地面车辆以更短的时间到达救援区域,提高救援效率.针对真实的地理环境,根据无人机约束采用均匀化网格方法进行地形建模,之后根据地形数据的特点设计适合数学计算与求解的数据结构.最后设计了包含偏离代价、高度代价、地形跟随/回避代价、威胁代价和安全距离代价的综合性能指标函数,并采用航路点交叉和网格搜索代替航路点搜索的方法,对蚁群算法进行改进完成航路规划.仿真结果表明:本文方法能够直接处理三维地形数据,在保持地貌的前提下,完成了无人机的三维航路规划任务,得到满足无人机约束的三维最优航路,提高了航路规划方法的实用价值.      

有障碍区域的多无人机多目标点路径规划

主要讨论了有障碍区的多无人机多目标点的路径规划问题.采用Dubins模型满足无人机的曲率约束,建立了含有混合变量的多约束优化问题,通过改进的遗传算法对优化问题进行求解,得到了满足基本约束条件的无人机遍历顺序和航向角,并确定了每个无人机的Dubins路径;给出了确定路径进入障碍区的检测方法,采用Dubins 快速扩展随机树算法对进入障碍区域的路径进行调优,得到了满足障碍约束条件的优化无人机路径. 通过仿真算例对比实验,证明了所提算法的有效性.     

基于障碍物代价势场的移动机器人避障算法

移动机器人所处的环境通常是动态的, 机器人需要及时做出响应, 同时保证路径的平滑度及与障碍物间的安全距离。针对此问题, 提出了一种基于障碍物代价势场的移动机器人动态避障算法。通过建立静态栅格地图及障碍物的代价势场, 获得动态场景下的等势线及经过起点、终点的切线, 求解最小生成树获得初始候选路径, 针对路径的长度、障碍物距离及平滑度对候选路径锚点进行调整。通过引入障碍物速度对代价势场的影响, 使得机器人能对移动中的障碍物做出及时的响应。为验证所提算法的有效性, 在分辨率为1 200×1 000 m的栅格场景下分别对静态场景和动态场景进行仿真, 结果表明:所提算法能够在保证路径具有较高的平滑度且与障碍物间保持安全距离的条件下使路径尽可能得短;同时在动态障碍物场景下依然能保持路径的平滑和避障的安全性, 满足动态场景下移动机器人路径规划的要求。      

垂直起降固定翼无人机串联混电系统优化设计

针对垂直起降固定翼无人机的动力需求特点，提出了一种专用于该类无人机的串联混电系统(S-HES)优化设计方法。首先，建立了旋翼、固定翼及转换模式下的垂直起降固定翼无人机的功率需求模型和基于串联混电系统功率传递路径的混电功率解算方程，给出了计及功率约束、能量约束及电池充电的电池质量解算方法，并在大量统计数据的基础上建立了其他混电部件质量解算方程。其次，使用威兰氏线法建立了考虑发动机工作点变化的燃油消耗模型。使用柯西变异粒子群算法基于各物理数学模型在飞行剖面内的各个飞行阶段展开混电控制参数优化，从而完成垂直起降固定翼无人机的顶层设计要求向串联混电系统最佳供电策略、设计功率及质量分配方案的转化。在城市货运和山区货运2种应用场景下对所提方法进行了验证。最后，分析了优化设计结果对于不同飞行阶段性能要求的敏感性。研究结果表明:所提方法可较好地捕捉垂直起降固定翼无人机任务剖面的调整及各飞行阶段的性能要求变化对串联混电系统优化设计结果的显著影响，对垂直起降固定翼无人机的各类应用场景均具有较好的适应性。      

混沌多精英鲸鱼优化算法

针对无人机（UAV）的航迹规划问题,提出了一种基于混沌多精英鲸鱼优化算法（CML-WOA）的航迹规划方法。首先,在已知飞行环境下,建立3D飞行空间模型和航迹代价模型。通过引入罚函数,将有约束3D航迹规划问题转化为无约束多维函数优化问题,利用CML-WOA求解模型来获得最优航迹。其次,为克服WOA易陷入局部最优的缺陷,引入立方映射混沌算子改善初始种群,增强种群多样性,并通过自适应框架融入正余弦算法（SCA）,利用多精英搜索策略有效地提高了算法开发能力和探索能力。最后,使用贪婪策略保证了收敛效率。通过20个基准函数测试和航迹规划仿真实验对提出的改进WOA进行验证。结果表明:所提算法相对其他算法,寻优性能明显提升,具有较强局部最优规避能力和更高的收敛精度与收敛速度;能够稳定快速地规划出代价最少、满足约束的安全可行的飞行航迹。      

基于图像骨架和贪婪算法的无人机航路规划

针对无人机在执行低空突防任务时最大生存概率以及自身飞行约束的要求,对传统的人工势场法进行改进,提出基于图像骨架和贪婪算法的航路规划方法.对可飞区域提取图像骨架生成赋权图,采用Dijkstra方法搜索最小代价路径实现航路初规划;提出了曲率可控的贪婪算法对初规划结果进行优化,使最终的路径同时满足最小转弯半径和最短航程的要求.仿真结果表明该方法是一种有效的航路规划方法.     

基于栅格地图的火星车路径规划方法

火星车路径规划是实现火星车完成预定探测任务的关键。然而传统路径规划算法,如A*和D*等,存在计算速度较慢,算法复杂度较高等问题。本文将对传统路径规划方法 A*法改进并且得到一种快速高效的全局路径规划算法,之后结合合适的局部避障算法,得到一种基于栅格地图的完整的火星车路径规划方法,最后通过仿真验证了此方法的有效性及合理性。     

基于可通过性的月面巡视探测器路径规划算法

应用于行星探测车的路径规划算法需要根据地形环境信息和车体的越障能力两方面进行考虑。结合月面巡视探测器移动子系统的通过特性以及地形信息将地图栅格进一步细分,使用了四个安全性指标描述车体静止或运动时的通过性,并将其引入到A~*与D~*两种规划算法的代价当中,给出了算法的流程,并通过仿真进行了验证。     

基于飞行角度优化的蚁群改进算法

针对无人飞行器路径规划问题,实现了排序蚁群算法,并在此基础上,引入了针对无人飞行器飞行特征的飞行角度优化策略,并建立了转移概率的更新原则。模拟飞行环境建立栅格化地图,进行仿真验证,输出无人飞行器的最优路径,验证最优解的质量和算法的收敛速度,结果表明,该方法能有效消除飞行过程中的尖角和折返现象,更加符合无人飞行器的飞行特征。与传统的方法相比,算法的收敛速度和最优解的质量均得到了提升。     

高空太阳能无人机三维航迹优化

为提升高空太阳能无人机的飞行性能和载荷能力,综合考虑无人机运动状态和能量获取、存储、消耗之间的耦合关系,建立了三维航迹优化模型。采用高斯伪谱法在离散点上近似状态变量和控制变量,且在一系列配点上满足动力学方程的约束,将最优控制问题转化为非线性规划问题。针对典型的点到点飞行任务开展了航迹优化,并与常规定高定速航迹进行了对比。结果表明:通过调整飞行姿态,可以使高空太阳能无人机的净吸收能量提高9.2%;综合调整飞行姿态和改变飞行高度两种措施可以获得更大的能量优势,使储能电池剩余电量提高18.8%。      

航线联营下基于转运的飞机航线路径优化

为解决航空运输成本高,运输资源闲置、浪费多的问题,对航线联营下基于转运的飞机航线路径优化问题进行研究。基于货物转运问题,考虑联盟对运营的影响,引入航空联盟选择概率,确定转运前后航段运输的承运及托运问题,并考虑托运运输的衔接问题。由于航空网络中双机场容量限制,运行中全货机飞行时段及空域容量的限制,以总成本最小化为目标,建立了航线联营下基于转运的航线路径优化模型（T-AAAFRP）。设计了改进的遗传算法求解模型。通过实例分析,研究选址和路径优化问题。研究结果表明：设计的算法具有较高的收敛性;转运点数量变化的过程中,双机场城市总被选择作为转运点;需求量、飞机固定成本的变化对优化决策有较大影响;飞机载重量、联盟承运与托运的分摊系数、决策者风险偏好的变化对优化决策有较小影响;总体上转运点数量越多,所承担的总成本越小,使用的飞机数量越少。     

军航无人机与民航航班侧向碰撞风险评估

近年来无人机(UAV)已经成为新型作战力量。为解决军航UAV与民航航班之间的飞行冲突,确保飞行安全,对经典EVENT模型进行改进,提出适用于UAV的碰撞风险模型。着重研究了导航方式、人为因素、高空风对于UAV飞行的影响,并构建了相应的位置偏差模型。首先,利用蒙特卡罗法求解军航UAV与民航航班之间侧向间隔丢失的频率;其次,利用MATLAB进行算例仿真,验证模型的有效性,并得出了侧向碰撞概率随参数变化的关系;最后,通过计算不同安全间隔下的碰撞风险,对空域使用提出建议。      

基于HMDP的无人机三维路径规划

路径规划是UAV(Unmanned Aerial Vehicle)自主飞行的重要保障.初步建立了基于MDP(Markov Decision Processes)的全局路径规划模型,把UAV的路径规划看作是给定环境模型和奖惩原则的情况下,寻求最优策略的问题;为解决算法时空开销大、UAV航向改变频繁的缺点,提出一种基于状态聚类方法的HMDP(Hierarchical Markov Decision Processes)模型,并将其拓展到三维规划中.仿真实验证明:这种简单的规划模型可以有效解决UAV的三维全局路径规划问题,为其在实际飞行中的局部规划奠定了基础.     

Trajectory optimization for asteroid landing with two-phase free final time

This work develops an autonomous trajectory planning algorithm for 6-DOF asteroid landing. The trajectory planning problem is formulated as a nonconvex time-optimal optimization problem with two-phase free final time, while the cost is regularized by augmenting a fuel consumption penalty. The nonconvex optimization problem is solved in successive solution method, and successive convexification is used to convert the original nonconvex problem into a sequence of convex subproblems, where each subproblem is obtained by linearizing the nonconvex dynamics and state constraints and using the velocity increment to give a convex expression of the fuel consumption penalty in cost function. Specifically, in the linearization, we divide the flight time interval into two parts and normalize each part using a time dilation coefficient to solve the problem that both the final times for the two flight phases are unknown, so that the original free final time problem turns to a fixed-time problem by minimizing the sum of the two time dilation coefficients and fuel consumption penalty. Besides, trust regions and virtual control are used to increase robustness of the algorithm. A convergence analysis is presented which indicates the successive solution will recover the local optimality of the original problem. Then the validity of the proposed algorithm and effects of different factors on flight time and fuel consumption are examined by simulations of landing on an irregular asteroid.