固定翼无人机编队集结控制算法研究

针对固定翼无人机协同作战时的编队集结问题，提出了一种新的路径规划和位置分配方法，并设计了包括航迹跟踪、高度保持和速度控制在内的自动驾驶仪。该路径规划算法通过矩阵迭代得到一组较优的目标点分配方案，满足总航程较小和同时到达约束。根据得到的各无人机飞向目标点的航迹，算出无人机编队集结的代价矩阵。在每架无人机确定了应飞航路后，开始沿航路飞向目标点，在此过程中，纵向采用高度保持自动驾驶仪，横向采用航迹跟踪自动驾驶仪，控制无人机按规定航迹飞行。速度调节自动驾驶仪可根据速度指令调节油门大小加减速，跟踪上目标速度，进而实现编队集结。仿真结果验证了所提出的编队集结控制方法的有效性和可行性。     

无人机三维航路规划技术研究及发展趋势

由于搜索空间巨大,三维航迹规划一直是航迹规划中的难点,而无人机只有进行精确的三维航迹规划才能提高低空突防的成功率。本文描述了无人机在线航路规划的影响因素,分析了无人机动力学约束及威胁场约束,探讨了无人机航路几何建模方法及三维航路规划算法的研究概况,并着重分析了三维航路规划算法如禁忌搜索、人工势场法、粒子群优化算法、Dijkstra算法及A＊算法。最后,阐述了无人机三维航路规划面临的关键问题及发展趋势。     

无人机航迹规划算法

无人机是现代战场实施侦察、打击的有力武器,它的发展备受关注。无人机航迹规划源于机器人运动规划,它是无人机应用研究的核心内容,对提高无人机系统在复杂战场的作战能力起着关键作用。无人机战场环境日益复杂,在强拒止、强电磁环境下,航迹规划对自主性和智能化有更高的要求,传统单一约束的算法已不能满足现今的战场需求。文章系统梳理了 5类无人机航迹规划算法中的几种常用算法及其改进算法,归纳了这些算法的原理、优缺点及适用条件,指出现阶段存在的问题与无人机航迹规划算法面临的挑战。综述表明,航迹规划算法必然向着智能化发展,自主识别和智能决策是改进、优化算法的关键。     

城市风场环境中的无人机快速航迹规划方法

密集的城市障碍环境以及复杂的城市风场干扰对航迹规划的实时性和航迹跟踪的准确性提出了严格要求,为此提出一种城市风场环境中的小型无人机(UAVs)快速航迹规划方法。首先,为了保证航迹规划的高效性,对固定翼无人机运动学方程进行了合理简化。其次,由于障碍环境中的最优航迹难以直接完全塑造,因此根据状态受限的最优控制理论给出了可以使用螺旋线与直线构建近似最优航迹的结论,并据此提出了一种针对城市环境的三维航迹规划方法。然后,通过对无人机运动学模型的分析,从规划角度提出了风场干扰下的航迹设计准则。仿真实验中,首先通过算法对比实验,验证了航迹规划方法的高效性;然后使用六自由度(DOF)飞机模型分别在无风场干扰和有风场干扰的环境下进行了航迹跟踪实验,实验结果证明了风场干扰下航迹设计准则的有效性。     

无人机航迹规划技术研究及发展趋势

通过对无人机航迹规划的研究,构建了无人机航迹规划的结构框架;分析了无人机系统约束及威胁场约束,探讨了无人机航迹几何建模方法及规划算法的国内外研究概况;并着重分析了规划算法。最后,阐述了无人机航迹规划面临的关键问题及发展趋势。     

突发威胁下的无人机航迹规划算法

针对无人机在执行任务过程中遭遇突发威胁的实时航迹规划问题,提出了一种基于动态规划的无人机实时航迹规划算法。采用切线法将问题转化为多阶段决策问题,通过动态规划法求出了问题的最优解,并通过航迹切换策略对生成的航迹进行了平滑处理。通过MATLAB进行了仿真验证,结果表明,该方法生成的航迹平滑、可飞,实现了无人机对突发威胁的合理规避,且满足无人机的机动性能及动力学限制,可直接应用于工程实践。     

无人机控制律仿真

文中将粒子群优化算法及动态逆控制方法,应用到无人机控制律的设计与仿真验证中。设计了动态逆控制律及其仿真,引用了基于动态逆控制理论的无人机控制律。应用动态逆控制(Dynamic Inversion Control,DIC)技术,设计了姿态角速率回路与姿态角回路,作为无人机控制系统的内回路;应用PID (比例、积分、微分控制技术,设计了三轴位移回路,作为控制系统的外回路。通过PSO优化算法及样条函数,设计了符合无人机使用要求的航迹曲线。最后,对航迹点进行样条插值,得到平滑的航迹曲线。对无人机控制律响应与航迹跟踪,进行了综合仿真验证。仿真结果表明,所设计的无人机控制律,在允许精度的范围内,跟踪无人机预定航迹效果良好,满足无人机飞行控制需求。     

突防飞行与多区域搜索一体化侦察航迹规划

针对战场环境下无人机的侦察路径规划问题，首先设计突防飞行与多目标区域搜索的一体化侦察航迹规划策略。然后针对侦察任务中的突防问题，在传统快速扩展随机树(RRT)的改进算法基础上，提出一种基于改进RRT^*的无人机突防航迹规划方法，通过设计目标偏置算法解决了传统RRT算法采样点随机性大、收敛速度慢等问题。针对侦察任务中的目标搜索问题，使用改进的旋转卡壳路径规划器(RCPP)进行覆盖式航迹规划，提高了搜索覆盖率。最终通过对比仿真试验，验证了所提出算法的优越性，以及算法应用于战场侦察任务的有效性。     

无人机光电载荷地理跟踪控制研究

无人机定点侦察过程中,将地理目标点或图像目标快速锁定在视场内,是十分重要的。在实时定点航迹规划与跟随控制的基础上,提出了光电任务载荷地理跟踪算法,并通过仿真和飞行试验,证明算法可以满足机载平台对地面目标快速锁定的要求。     

基于改进ARA*算法的无人机在线航迹规划

针对无人机三维在线航迹规划对算法速率、航迹最优性的需求,提出了基于改进ARA^*算法的无人机在线航迹规划方法。首先,建立无人机三维航迹规划的数学模型;然后,提出了节点空间约简策略、局部启发项策略以提高算法收敛速率,并针对复杂规划环境提出了启发因子自适应递减策略。仿真结果表明,所提算法能够快速、稳定地生成首条可行航迹,并在剩余时间内不断提高航迹质量,可应用于不同类型的在线规划任务,动态地适应规划时间与航迹最优性的要求。     

基于改进RRT算法的无人机航路规划与跟踪方法研究

为了使航路规划算法在三维动态环境下能够快速规划出较优可行航路,基于快速扩展随机树算法(RRT),对规划航路点进行了无人机飞行动力学约束,并且设计了局部航路动态优化策略。针对传统的航路跟踪控制律跟踪较为曲折的航线时跟踪误差较大的问题,通过将规划算法得出的姿态指令引入姿态控制回路的方式,提高了航路跟踪控制算法的快速性与准确性。在此基础上,搭建了无人机验证平台,利用该验证平台完成了无人机自主避障飞行试验,对算法的有效性进行了验证,并对算法性能进行了评估。     

目标短时遮挡下的光电平台目标跟踪预测与控制

无人机在高空飞行并跟踪地面目标的过程中,当目标受到障碍物遮挡,会导致跟踪失败。本文建立了目标相对无人机的运动模型,设计了基于卡尔曼滤波的目标预测器,并在目标遮挡发生时利用目标角位置预测值以及姿态锁定回路实现了对目标的预测跟踪。本文运用相似性原理设计了室内目标跟踪场景。仿真和试验证明,本文所设计的预测器能较好的预测目标角位置,与控制回路相结合能克服短时间的目标跟踪丢失。     

基于改进蚁群算法的无人机航路规划

为了提高无人机(UAV)的作战效率和生存概率,在执行任务之前必须设计出高效的无人机飞行航路.针对这一问题,采用了蚁群算法进行航路规划,并对蚁群算法进行了改进.提出了保留最优解、自适应状态转换规则和自适应信息激素更新规则,有效的提高了算法算收敛速度和解的性能.最后用改进的蚁群算法对无人机任务航路进行了仿真,仿真结果表明,该算法是一种有效的航路优化算法.     

基于改进RPG方法的MUAVs协同目标跟踪

多无人机(MUAVs)协同Standoff目标跟踪制导律由保持距离的横侧向制导律和保持相对相位角的纵向制导律组成。无人机(UAV)进行Standoff目标跟踪的横侧向制导律采用参考点制导(RPG)方法。针对UAV在基于RPG方法的制导律下存在参考视线与相对速度方向夹角需要保持为锐角、转弯速率在UAV运动方向远离目标情况下太小的不足,提出了改进RPG方法。设计了基于改进RPG方法的MUAVs协同Standoff目标跟踪横侧向制导律和纵向制导律,分析了制导律的稳定性和收敛性,并验证了改进方法的可行性。采用原始RPG方法和改进RPG方法对UAV分别跟踪静止目标和跟踪运动目标进行仿真的结果表明,UAV处于任意初始位置及飞行方向都能快速进入到期望飞行轨迹,应用改进RPG方法可使UAV围绕目标顺时针飞行或者逆时针飞行,验证了改进RPG方法比原始RPG方法的效率更高。     

Optimal Cooperative Sensing using a Team of UAVs

The authors investigates the joint optimal estimation of both the position and velocity of a ground moving target (GMT) using pulse Doppler radars on-board unmanned aerial vehicles (UAVs). The problem of cooperative estimation using a UAV team and the optimization of the team's configuration to achieve optimal GMT position and velocity estimates are addressed. Based on the Cramer-Rao bound, the minimum achievable error variance of the GMT position and velocity estimates is derived. The expression of the minimum achievable estimation error variance for unbiased estimation provided by the Cramer-Rao bound is minimized yielding the optimal configuration of the UAV team. Our solution is complete in that it addresses various GMT tracking scenarios and an arbitrary number of UAVs. Optimal sensor geometries for typical applications are illustrated     

基于形态自适应网络的无人机目标跟踪方法

针对无人机影像目标跟踪过程中常出现的目标方向变化、目标遮挡变化、样本多样性不足等问题,提出了一种基于形态自适应网络的无人机航空影像目标跟踪算法。首先使用基于数据驱动的方法对数据集进行扩增,添加了遮挡样本和多旋转角度样本,提高样本多样性;提出的形态自适应网络模型通过旋转不变约束改进深度置信网络,提取强表征能力的深度特征,使得模型能够自动适应目标形态变化,利用深度特征变换算法获取待检测目标的预定位区域,采用基于Q学习算法的搜索机制对目标进行自适应精准定位,使用深度森林分类器提取跟踪目标的类别信息,得到高精度的目标跟踪结果。在多个数据集上进行了对比实验,实验结果表明该算法能够达到较高的跟踪精度,可以适应目标旋转、目标遮挡等形态变化情况,具有较好的准确性和鲁棒性。     

基于自适应Siamese网络的无人机目标跟踪算法

无人机已被广泛应用到军事和民用领域，目标跟踪是无人机应用的关键技术之一。针对无人机跟踪过程中目标易发生形变、遮挡等问题，提出一种基于自适应Siamese网络的无人机目标跟踪算法。首先，利用2个卷积网络构建一个5层Siamese网络，通过对模板特征与当前帧图像特征进行卷积得到目标位置；其次，利用高斯混合模型对以往的预测结果进行建模并建立目标模板库；然后，从模板库中挑选出最可靠的目标模板并以此更新Siamese网络的匹配模板，使Siamese网络能够自适应目标的外观变化；最后，引入回归模型进一步精确目标位置，降低背景对网络性能的影响。仿真实验结果表明：该算法有效降低了形变、遮挡等情况对跟踪性能的影响，具有较高的准确率。     

集群无人机队形重构及虚拟仿真验证

队形重构是集群无人机（UAV）控制的重要问题，指无人机按照要求安全、无碰撞地从一个队形变换到另一个队形，其难点在于快速规划最优安全轨迹并控制无人机进行轨迹姿态的高精度跟踪。针对集群无人机队形重构的上述问题，首先，基于CAPT（Concurrent Assignment and Planning of Trajectories）算法，解决了多无人机的目标分配和轨迹生成的实时性问题，实现了集群无人机的最优安全路径规划；其次，提出一种有限时间多变量积分滑模连续控制算法，解决了无人机轨迹姿态的高精度跟踪问题，并通过MATLAB仿真验证了该控制算法的有效性；最后，为了更加真实直观地演示无人机三维仿真效果，建立了基于Gazebo-ROS的无人机仿真平台，实现了12架四旋翼无人机队形重构"建模-仿真-可视化"的一体化仿真演示，验证了上述路径规划算法和轨迹姿态控制算法的有效性。