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。     

基于改进人工势场算法的无人机群避障算法研究

针对无人机运动避障人工势场算法本身存在的极小值问题和局部最小值问题，采用改进的人工势场算法，提出了一种新的路径规划方法。不同于目前的人工势场法，该模型从双机相互作用开始，在障碍物斥力的基础上，增加了无人机之间的斥力，同时定义集群的前置形心作为另一个引力源。算法分析表明，该方法能够有效避免无人机陷入局部最小值，并增强了无人机机群的控制和避障能力。基于该无人机控制模型，给出了路径规划设计并进行了仿真实验。实验结果表明，基于该模型的无人机机群控制具有更好的避障性能和追踪目标的能力。     

Three-dimensional path planning for unmanned aerial vehicle based on interfered fluid dynamical system

This paper proposes a method for planning the three-dimensional path for low-flying unmanned aerial vehicle(UAV) in complex terrain based on interfered fluid dynamical system(IFDS) and the theory of obstacle avoidance by the flowing stream. With no requirement of solutions to fluid equations under complex boundary conditions, the proposed method is suitable for situations with complex terrain and different shapes of obstacles. Firstly, by transforming the mountains, radar and anti-aircraft fire in complex terrain into cylindrical, conical, spherical, parallelepiped obstacles and their combinations, the 3D low-flying path planning problem is turned into solving streamlines for obstacle avoidance by fluid flow. Secondly, on the basis of a unified mathematical expression of typical obstacle shapes including sphere, cylinder, cone and parallelepiped, the modulation matrix for interfered fluid dynamical system is constructed and 3D streamlines around a single obstacle are obtained. Solutions to streamlines with multiple obstacles are then derived using weighted average of the velocity field. Thirdly, extra control force method and virtual obstacle method are proposed to deal with the stagnation point and the case of obstacles’ overlapping respectively. Finally, taking path length and flight height as sub-goals, genetic algorithm(GA) is used to obtain optimal 3D path under the maneuverability constraints of the UAV. Simulation results show that the environmental modeling is simple and the path is smooth and suitable for UAV. Theoretical proof is also presented to show that the proposed method has no effect on the characteristics of fluid avoiding obstacles.     

考虑运动学约束的不规则目标遗传避碰规划算法

 针对复杂环境下不规则目标的路径规划问题,提出了一种带有运动学约束的遗传避碰规划算法。以舰载机在航母甲板上的路径规划问题作为研究对象,并且该算法可推广至其他具有此类约束的路径规划问题中,它较好地解决了目标形状复杂、障碍环境复杂、目标运动时带有回转半径约束等特殊问题。在传统遗传路径规划算法的基础上,针对性地设计了三维位置和姿态混合编码、三段法路径解码、轨迹包围盒的碰撞检测及距离计算等方法,并在遗传操作中引入惩罚项和修补策略来辅助算法寻优。最后,为得出复杂环境下的最优路径,基于VC++平台对算法进行了仿真验证。结果表明,在复杂障碍环境下,本文提出的算法可求得最优避碰路径,并满足预先设定的目标回转半径约束,能够有效地解决此类目标的避碰路径规划问题。     

基于改进A*算法的UUV冰下避障航迹规划算法

针对冰下避障航迹规划问题,提出了一种基于改进A*算法的三维冰下避障航迹规划算法.不同于传统的A*航迹规划算法,该算法结合了人工势场航迹规划算法的思想,将水下地形碰撞约束、海冰碰撞约束以及UUV巡航高度约束重新编排.算法分析表明,该避障航迹规划算法能够有效增强UUV冰下避障能力与定深巡航高度控制能力.基于改进的A*冰下避障航迹规划算法,给出了上述约束的设计方法并进行了仿真验证.仿真结果表明,基于上述约束的航迹规划算法具有良好的避障能力、巡航高度控制能力以及航行距离控制能力.     

Collision free 4D path planning for multiple UAVs based on spatial refined voting mechanism and PSO approach

In this paper, a four-dimensional coordinated path planning algorithm for multiple UAVs is proposed, in which time variable is taken into account for each UAV as well as collision free and obstacle avoidance. A Spatial Refined Voting Mechanism(SRVM) is designed for standard Particle Swarm Optimization(PSO) to overcome the defects of local optimal and slow convergence.For each generation candidate particle positions are recorded and an adaptive cube is formed with own adaptive side length to indicate occupied regions. Then space voting begins and is sorted based on voting results, whose centers with bigger voting counts are seen as sub-optimal positions. The average of all particles of corresponding dimensions are calculated as the refined solutions. A time coordination method is developed by generating specified candidate paths for every UAV, making them arrive the same destination with the same time consumption. A spatial-temporal collision avoidance technique is introduced to make collision free. Distance to destination is constructed to improve the searching accuracy and velocity of particles. In addition, the objective function is redesigned by considering the obstacle and threat avoidance, Estimated Time of Arrival(ETA), separation maintenance and UAV self-constraints. Experimental results prove the effectiveness and efficiency of the algorithm.     

复杂环境下翼伞系统的组合式航迹规划

传统翼伞系统的航迹规划主要考虑落点精度及逆风着陆等指标,而当空投区域环境较为复杂,在翼伞系统归航路径上存在障碍时,如何规避这些障碍也成为翼伞系统航迹规划所必须要考虑的因素。针对翼伞空投过程有可能遇到高山或者高大建筑物阻碍的问题,提出了一种复杂环境下翼伞系统的组合式航迹规划策略。该方法将翼伞空投的区域分为障碍区和着陆区,在障碍区中采用快速搜索随机树（RRT）算法进行可行路径搜索,考虑到RRT算法生成的轨迹包含棱角,导致路径不够平滑的问题,结合翼伞系统质点模型的运动特性,对其进行了适用性改进,以使规划的航迹满足实际翼伞空投需求。为了解决RRT算法搜索方向随机,难以满足逆风着陆的问题,当翼伞系统进入着陆区后采用分段归航的方式设计航迹,并借助遗传算法（GA）求解目标参数,实现翼伞系统能量控制及逆风着陆。提出的复杂环境下翼伞系统的组合式航迹规划策略求解速度较快,能够同时满足翼伞系统避障、能量控制及逆风着陆要求,得到的参考航迹较为平滑。     

基于PH曲线的多无人飞行器协同航迹规划研究

随着无人飞行器智能化的发展,如何使其在动态环境下避开运动威胁,并能协同以规定的时间和角度进行攻击,从而顺利完成作战任务成为研究热点.基于Pythagorean Hodograph(PH)曲线进行在线航迹规划,提出了分布估计算法和差分进化算法相结合的方法进行航迹参数寻优,并给出了在线避障多无人飞行器协同航迹规划方法,仿真试验结果表明加入速度预测的多无人飞行器协同航迹规划方法的有效性.     

考虑UAV性能约束的变速度自主避障算法研究

动态不确定环境下,为有效地提升UAV执行任务的安全性和可靠性,在UAV自主避障过程中考虑了自身的性能约束条件.在速度障碍圆弧法的基础上,考虑UAV的法向和纵向加速度约束范围,研究了速度障碍圆弧随速度矢量变化的规律,提出了一种考虑UAV性能约束的变速度自主避障算法.该算法在考虑自身性能约束条件下,为实现UAV对威胁障碍的避碰提供了更大的避碰裕度.最后,对考虑UAV性能约束的变速度自主避障算法进行了验证,仿真结果证明了算法的有效性和可行性.     

基于A*和TEB融合的行人感知无碰跟随方法

移动机器人通过跟随一个指定行人实现导航是一种便捷的方式。针对行人跟随中的机器人跟随和避障问题,提出了一种基于路径规划的无碰跟随方法。该方法结合激光点云分割提供的非行人障碍信息生成静态障碍代价地图,并根据3D行人定位结果,利用基于无迹卡尔曼滤波器（Unscented Kalman Filter,UKF）和最近邻联合概率数据关联（Nearest Near Joint Probabilistic Data Association,NN-JPDA）的多行人跟踪器估计干扰行人运动状态,进而生成动态行人代价地图。在此基础上,基于A^*的全局规划器结合静态障碍代价地图输出指向目标行人的全局路径,而基于时间弹性带（TEB）算法的局部规划器也将动态行人代价地图纳入考虑范围以规划优化的局部路径,这能够帮助机器人实现行人感知的避障且跟随全局路径。通过低频全局规划与高频局部规划结合的方式实现对目标行人安全无碰的跟随。实验验证了所提方法的有效性。     

基于改进人工势场法的无人机避让航迹规划

随着无人机技术的不断发展，以及无人机应用领域的不断扩展，无人机与有人机在低空空域的融合运行是我国通用航空事业发展的必然趋势，而感知与规避技术是无人机与有人机间避免碰撞的重要保障。在对感知与规避技术进行详细阐述的基础上，对其关键技术问题之一的避让航迹规划进行了研究。首先，针对传统人工势场法的局部震荡问题提出了解决方案；其次，结合感知与规避实际背景，对威胁区模型进行了优化，并对无人机自身性能约束进行了建模；最后，对改进算法进行了仿真验证，阐明了其对无人机动力能源消耗、避让时间和任务执行效率等方面的影响。     

基于零空间方法的四旋翼无人机避障与协同编队控制

针对四旋翼无人机在编队飞行执行任务时可能遭遇障碍物问题,考虑多无人机避障及机间避撞的需求,提出 1种基于零空间方法的四旋翼无人机避障与协同编队控制算法。首先,建立四旋翼无人机动力学模型,并建立虚拟控制量简化控制模型;其次,基于零空间方法进行避障与协同编队控制算法研究,将无人机任务执行分解为目标趋向任务、避障避撞任务和协同编队任务,并根据优先级进行任务融合得到期望速度;再次,基于 PID方法设计控制律;最后,通过仿真验证所提控制算法的有效性。所提方法可保证四旋翼无人机在编队飞行中遭遇障碍物时的飞行安全。     

复杂环境下多无人机轨迹姿态协同控制

考虑多无人机在实际飞行过程中的避障需求，在建立面向控制的四旋翼无人机轨迹姿态模型基础上，为克服传统多无人机为每架无人机规划轨迹的不足，研究了基于多无人机中心点的轨迹设计策略。进一步，考虑避障约束，基于半定规划进行迭代区域扩张完成了多无人机的安全飞行区域及队形设计。在此基础上，基于干扰补偿策略为每架无人机设计了协同控制器，最终确保了多无人机在多障碍环境下的安全飞行。     

基于改进A^*算法的无人机快速轨迹规划方法

针对旋翼无人机在三维障碍物环境中自主飞行时路径搜索速度慢、轨迹生成通常忽略无人机动力学特性的问题,发展一种基于改进A^*算法并同时考虑无人机动力学特性和运动学性能的快速轨迹规划方法。首先,在三维障碍物环境中运用改进A^*算法通过剔除部分网格节点降低A^*算法的节点计算量,提升算法的路径搜索速度;其次,以最小化飞行轨迹的四阶导数作为目标函数,以路径点处的位置、速度、加速度等各阶导数作为约束条件优化飞行轨迹;最后,在三维障碍物环境中对比A^*算法改进前后的路径搜索结果,并对优化的飞行轨迹进行仿真飞行测试。结果表明:改进A^*算法大幅降低了A^*算法的节点计算量,显著提升了路径搜索速度;且无人机能够始终以较小位置误差沿优化轨迹光滑连续飞行。     

基于状态改变的机器人路径规划算法

为了解决目前机器人路径规划中时效性低、避障解算量大的问题,借鉴直流电路中理想电感元件两端电压能够从感抗状态恢复到稳定状态的现象,提出了一种利用机器人状态检测量对机器人状态实时检测,从而实现避障的机器人路径规划算法.首先对绕行单个固定障碍物的机器人进行深入分析,然后采用状态叠加的方法,生成任意位置多障碍物同时存在的避障路径.同时对斥力系数进行改进,以确保机器人能够有效到达目标点.为了验证算法在多障碍物环境下的路径规划能力,进行了数值仿真模拟实验.仿真结果表明,使用该算法规划机器人路径时,能够在避免局部极小值点和目标不可达问题的前提下,在较短时间内规划出机器人由起始点到目标点的路径.     

Study on UAV Path Planning Approach Based on Fuzzy Virtual Force

This article proposes a novel fuzzy virtual force (FVF) method for unmanned aerial vehicle (UAV) path planning in complicated environment. An integrated mathematical model of UAV path planning based on virtual force (VF) is constructed and the corresponding optimal solving method under the given indicators is presented. Specifically, a fixed step method is developed to reduce computational cost and the reachable condition of path planning is proved. The Bayesian belief network and fuzzy logic reasoning theories are applied to setting the path planning parameters adaptively, which can reflect the battlefield situation dynamically and precisely. A new way of combining threats is proposed to solve the local minima problem completely. Simulation results prove the feasibility and usefulness of using FVF for UAV path planning. Performance comparisons between the FVF method and the A* search algorithm demonstrate that the proposed approach is fast enough to meet the real-time requirements of the online path planning problems.     

视觉无人机棚内煤场自主飞行与地图构建

针对目前室内大型煤场煤储量估计方法中,固定位置激光打点方式存在盲区、不灵活、精度差,以及基于多旋翼无人机的方法难以适应无GPS的室内环境等缺点,提出结合视觉定位的无人机室内自主飞行盘煤方法。该方法通过融合5个方向的视觉信息,并结合无人机路径规划及避障算法,对煤堆进行了全覆盖的视觉成像,然后,通过运动推断结构方法进行三维建模,用于估计煤储量。经实验验证,所提方法有较好的室内定位精度,基于三维建模的煤堆储量估计与实际储量较为接近,证明了其有效性和可行性。     

基于障碍凸化的改进环流APF路径规划

为改善人工势场法（APF）在复杂障碍环境下的路径规划能力，提出基于障碍凸化的改进环流APF路径规划方法。通过改变APF方法斥力势场的方向，使其形成绕行障碍边缘的环流，改善了APF方法在平台-目标位置连线与障碍边界垂直时可能陷入局部极小值的问题。针对多边形障碍（凹、凸）与圆形障碍，给出包括障碍初始化与相交障碍集合迭代凸化步骤的障碍凸化方法，将复杂障碍空间转换成为凸障碍的空间，避免平台进入凹多边形或相交障碍产生的凹区域而无解的问题。在仿真环境中，对比了传统APF方法、未使用障碍凸化的环流APF方法、使用障碍凸化的环流APF方法的路径规划结果，并分析了不同障碍数量、相交障碍数量条件下的方法计算耗时。根据结果，使用障碍凸化的环流APF方法能够明显改善APF方法在复杂障碍环境下的路径规划能力，方法实时性好，每个障碍所需的单步计算耗时约为0.02~0.03 ms，能够支持平台在复杂障碍环境下的在线路径规划。     

一种基于Hopfield神经网络的TF／TA航迹规划算法

提出一种基于Hopfield神经网络的无人机地形跟随(TF)/地形回避(TA)迹规划方法.该方法将地研信息反映到算法参数连接权中,利用扩展的Hopfield模型结合无人机约束实现航迹安全、合理的规划.仿真实验证明该方法能获得满意的TF/TA航迹.     

基于导向强化Q学习的无人机路径规划

随着无人机的广泛应用,其飞行能耗和计算能力面临着瓶颈问题,因此无人机路径规划研究越来越重要。很多情况下,无人机并不能提前获得目标点的确切位置和环境信息,往往无法规划出一条有效的飞行路径。针对这一问题,提出了基于导向强化Q学习的无人机路径规划方法,该方法利用接收信号强度定义回报值,并通过Q学习算法不断优化路径;提出"导向强化"的原则,加快了学习算法的收敛速度。仿真结果表明,该方法能够实现无人机的自主导航和快速路径规划,与传统算法相比,大大减少了迭代次数,能够获得更短的规划路径。