【正文】 主控制能力奠定基礎(chǔ)。（1）對非協(xié)作式環(huán)境中無源探測技術(shù)的研究非協(xié)作式感知問題是最具挑戰(zhàn)性，也是各研究機構(gòu)關(guān)注的熱點。對于非協(xié)作式機動障礙，無人機很難預測其飛行路線，不便做出合理的規(guī)避策略，甚至在復雜的環(huán)境中，還可能會引起多次沖突，對有人機而言，有人機傳感器配合人眼能很好的探測發(fā)現(xiàn)威脅并準確感知。但是有人機上裝備的有源探測感知設(shè)備無法安裝在中小型無人機上，且無源探測傳感器容易受天氣條件的影響，不能直接提供距離、速度等信息，并且在執(zhí)行地面探測任務(wù)時難以兼顧感知規(guī)避。另外，對于體積小、重量輕和動力差的無人機系統(tǒng)，也可以嘗試使用聲學傳感器。對于大型飛機，也可以嘗試用其輔助增強光電傳感器，尤其在飛機離開或接近機場時，因為那時飛機通常飛行較低，發(fā)生碰撞的可能性也最大。（2）基于多傳感器信息融合的自主探測感知方法逐漸得到應(yīng)用傳統(tǒng)的無人機探測更多的依賴于外部數(shù)據(jù)鏈為其提供信息，依靠地面操作員對無人機傳感器獲得的信息進行分析并作出決策。然而，數(shù)據(jù)鏈傳輸存在兩個問題：其一，傳輸需要時間。無人機從探測到障礙物到作出決策并實時機動規(guī)避，其間留有的時間是很短暫的。通過數(shù)據(jù)鏈傳輸信息到操縱員做出決策這樣一個大回路來控制無人機已不能滿足實時性要求，很可能使無人機錯過了避障的時機，導致與障礙相撞。其二，數(shù)據(jù)鏈容易受干擾。數(shù)據(jù)鏈傳輸存在不穩(wěn)定和易受干擾性，一旦數(shù)據(jù)鏈斷開，無人機就失去了感知能力，將嚴重威脅無人機和其它飛行器的飛行安全。因此需要發(fā)展自主探測并感知的技術(shù)，不僅要開發(fā)新型的雷達探測感知傳感器，還要研究實時性好、自主程度高的信息融合與知識挖掘技術(shù)，使無人機在沒有數(shù)據(jù)鏈支持的情況下，也能很好的感知識別周圍的環(huán)境態(tài)勢。（3）信息不一致條件下的多機航線避碰協(xié)調(diào)對于無人機自主防撞系統(tǒng)，維持多架無人機的信息一致和狀態(tài)一致是實現(xiàn)分布式協(xié)同的一個重要基礎(chǔ)。近年來，分布式多平臺一致性問題成為協(xié)同控制領(lǐng)域的一個研究熱點。針對無人機實現(xiàn)穩(wěn)定的編隊構(gòu)型、對無人機高度一致、速度一致、時間一致等問題，國內(nèi)外提出了很多一致性協(xié)議，并展開了大量理論研究工作。但對于動態(tài)網(wǎng)絡(luò)條件下的信息一致性問題，如何借鑒現(xiàn)有一致性理論研究的成果，在信息不一致的條件下實現(xiàn)多無人機一致決策將是未來一個重要的研究方向，并將為無人機避開協(xié)作式障礙奠定基礎(chǔ)。（4）規(guī)避行為決策由簡單反射向智能推理型發(fā)展隨著機器人智能體智能水平的提高，之前的預定義方法將得到改善，從簡單的反射型發(fā)展為高級的推理型。由于不可能事先考慮到所有可能出現(xiàn)的情況，簡單的反射型避障無法滿足復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境，而基于推理的避障將使無人機在遭遇障礙時，能夠?qū)崟r的做出合理的決策，從而具有更高的智能性和更好的戰(zhàn)場適應(yīng)性。在這方面，智能控制領(lǐng)域也有很多成熟的理論方法，為行為決策由簡單反射型向智能推理型發(fā)展提供了方法。（5）面向無人機避障的實時快速路徑規(guī)劃感知規(guī)避技術(shù)強調(diào)在出現(xiàn)預料到的障礙和威脅時進行實時重規(guī)劃，從而無人機探測到威脅到做出機動動作只有10秒左右的時間，對路徑規(guī)劃實時性和正確性要求都非常高。往往難點在于估計非協(xié)作式機動障礙物的軌跡，避免做出與之相反的規(guī)避策略，造成二次沖突。很多用于預先航跡規(guī)劃的優(yōu)化計算方法，如A*算法、遺傳算法、蟻群算法等，由于需要不斷迭代優(yōu)化，其計算過程十分耗時，很難直接應(yīng)用，必須結(jié)合無人機避碰問題特點，研究快速在線航跡規(guī)劃方法。另外，盡管無人機能承受的機動過載較有人機大得多，但軌跡還必須考慮無人機的物理性能，以確保無人機能執(zhí)行所規(guī)劃機動動作?！∥恼陆Y(jié)構(gòu)安排第一章 緒論：本章明確論文選題的背景、意義以及目的，介紹無人機實時避障路徑規(guī)劃的發(fā)展現(xiàn)狀，無人機實時避障路徑規(guī)劃技術(shù)的發(fā)展趨勢。第二章 無人機實時避障路徑規(guī)劃問題分析與建模：本章將簡述無人機實時避障問題的分析和建模，并對實時避障路徑規(guī)劃常用方法及其具體應(yīng)用進行優(yōu)劣分析。第三章 基于改進RRT的無人機實時避障路徑規(guī)劃：本章眾多研究RRT算法的原理特點，基于RRT的避障路徑規(guī)劃。第四章 Matlab實驗對RRT算法的規(guī)避策略進行仿真驗證：本章在Matlab平臺進行實驗，仿真RRT算法規(guī)避策略，驗證其有效性。第五章 結(jié)論：本章是對全文工作的總結(jié)以及對未來工作的展望。第二章　無人機實時避障路徑規(guī)劃問題分析與建模　無人機實時避障問題分析無人機實時避障問題，實際是一個復雜的多目標優(yōu)化過程，即要求找到一條從當前位置到期望目標位置的最優(yōu)可飛航路，同時滿足一定的約束條件。它涉及飛行力學、自動控制、作戰(zhàn)效能分析、人工智能、運籌學、計算機和圖像處理等多個學科和專業(yè)，是個綜合性的研究課題。規(guī)劃出的飛行路徑應(yīng)該使無人機能避開威脅，同時盡量縮短航程，并滿足機動性能以及無人機的最大加速度、俯仰角、偏航角等約束要求。為了減小搜索空間，提高算法的收斂速度，大多數(shù)情況下人們往往只考慮二維平面內(nèi)的路徑規(guī)劃搜索，將水平面和垂直平面的規(guī)劃問題分開考慮，但是這么做很難有效地規(guī)避威脅得到最優(yōu)飛行路徑，因此，必須考慮真正意義上的三維實時避障路徑規(guī)劃，并要求實時性和有效性，以適應(yīng)現(xiàn)代無人機執(zhí)行任務(wù)的快速反應(yīng)。影響實時避障路徑規(guī)劃的因素主要有以下三方面：預定路徑價值——衡量無人機盡快回到預定路徑必要程度的綜合指標，用表示。威脅代價——威脅代價主要與其威脅范圍s相關(guān)，威脅代價可表示為。油耗代價——由于無人機在地面一次所加的油量是有限的，因此它的航路必然受到油耗的限制，且由于無線電的作用距離受限，無人機執(zhí)行任務(wù)的位置不能超過其作戰(zhàn)半徑，因此必須考慮油耗代價?！o人機實時避障路徑規(guī)劃問題建模無人機多數(shù)情況下執(zhí)行特定的偵察監(jiān)視飛行任務(wù)，若無特殊情況則按預定路徑飛行，若在探測范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)威脅則在以當前點為起點重新規(guī)劃飛行路徑，并對威脅實時探測，在保證不與威脅相撞的前提下，規(guī)劃可行飛行路徑回到預定路徑上繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，目標函數(shù)可表示為式中：為預定路徑價值；為航路代價。對于航路代價而言，根據(jù)航路規(guī)劃的影響因素分析，它包括威脅代價和油耗代價。威脅代價與油耗代價按一定權(quán)重進行求和，威脅代價權(quán)重為，油耗代價權(quán)重為，且。則航路代價為通過上述分析，得航路的目標函數(shù)可表示為:無人機實際飛行過程中還需要考慮動力學約束，主要包括以下幾個方面：（1）無人機的最小飛行高度。記每一段航路飛行高度為，則應(yīng)滿足：，(i=1，…，n)不同于二維實時避障路徑規(guī)劃僅考慮水平方向航路規(guī)劃，三維實時避障路徑規(guī)劃必需考慮高度影響。（2）無人機的最大航程。無人機在整個飛行過程中的飛行路程，受到飛機燃油和飛行時間配給的限制。記最大航路長度為，則每一個航段距離應(yīng)滿足。（3）無人機的最大俯仰角。無人機在三維航路規(guī)劃時爬升俯沖飛行時必須考慮俯仰角的約束，具體可寫為：其中表示在xy平面與原點的距離。（4）無人機的最大偏航角。無人機在飛行過程中在二維平面中的左右偏轉(zhuǎn)角度受其最大偏航角約束，具體可寫為：（5）無人機的最遠視距F。這項參數(shù)決定了無人機在按預定航跡飛行時發(fā)現(xiàn)未知威脅的最遠距離。若該無人機的最遠視距大，則其路徑規(guī)劃的時間就較為充裕，若最遠視距較小，則對其機動能力有較高要求，防止在發(fā)現(xiàn)未知威脅后還未來得及規(guī)劃路徑就與威脅相撞。（6）無人機的最小步長。最小步長決定了無人機在改變飛行姿態(tài)前必須直飛的最短距離?！崟r避障路徑規(guī)劃常用方法及其具體應(yīng)用，優(yōu)劣分析在搜索智能領(lǐng)域中，無人機的實時路徑規(guī)劃問題受到了相當?shù)闹匾暋．斁邆渫暾_的環(huán)境信息或是已知預定飛行路徑節(jié)點時，可用一次性的全局規(guī)劃來得到一條自起點到終點的最優(yōu)飛行路徑。但實際上，在現(xiàn)實的環(huán)境中，會有許多未知的威脅出現(xiàn)，其中包括高空的靜態(tài)威脅以及動態(tài)飛行器等威脅，只有當無人機飛到距離它們在探測距離內(nèi)時才能發(fā)現(xiàn)，這時地面一次性全局規(guī)劃已不能滿足要求。在這種情況下，無人機需要在飛行的過程中實時處理新出現(xiàn)的威脅，依靠實時探測到的環(huán)境及威脅信息，經(jīng)過重規(guī)劃來獲得當前已知信息下的最優(yōu)飛行航跡。重規(guī)劃要考慮的主要問題是航跡的最優(yōu)性以及規(guī)劃的實時性。在過去的十年中，人們提出了一些算法已經(jīng)成功應(yīng)用于解決高維空間的路徑規(guī)劃問題，比如隨機勢力場法和概率地圖法。隨機勢力場依賴于一個好的啟發(fā)式函數(shù)，當遇到威脅、運動學上的差異約束或是動力約束時，它就會變得困難起來。在概率地圖法中，我們通過產(chǎn)生隨機形狀，連接不同形狀產(chǎn)生路徑的方法。規(guī)劃完整系統(tǒng)時，局部步長可能是高效的。然而，在在非完整約束的情況下，連接問題與設(shè)計一個非線性控制問題一樣麻煩。概率地圖法中可能需要連接許多的節(jié)點或是狀態(tài)來尋找解決方案，如果每個連接點都類似于一個非線性控制問題，這樣路徑規(guī)劃的實時性是很難實現(xiàn)的。近年來，許多學者在三維航路規(guī)劃方面作了大量的工作，主要研究如下：海軍航空工程學院范洪達將三維航路分解為水平方向和垂直方向的兩個航路并分別應(yīng)用改進的遺傳算法和適應(yīng)角法進行規(guī)劃仿真?？哲姽こ檀髮W李銳通過引入狀態(tài)空間節(jié)點的概念生成三維航路搜索空間，將原來的航路規(guī)劃問題簡化為在狀態(tài)空間中的搜索尋優(yōu)問題。陳琳采用粒子群優(yōu)化(PSO)算法進行無人機的三維航路規(guī)劃，以最大水平轉(zhuǎn)彎角、最大爬升下滑角、最小步長、最小離地高度和最短距離作為適應(yīng)度函數(shù)的評價指標。北京航空航天大學洪曄為解決算法時空開銷大、無人機航向改變頻繁的缺點，提出一種基于狀態(tài)聚類方法的HMDP模型，并將其拓展到三維規(guī)劃中。夏潔提出一種基于啟發(fā)式搜索和禁忌搜索技術(shù)的任務(wù)路徑規(guī)劃問題的有效算法，通過對不同重要程度的任務(wù)進行分層調(diào)度，得到較為滿意的決策結(jié)果，該算法具有搜索宅間小、求解速度快的優(yōu)點。南京航空航天大學陳謀研究了一種基于改進蟻群算法的無人機三維航路規(guī)劃方法，將最短路徑的信息反饋到系統(tǒng)中作為搜索的指導信號，并改進節(jié)點選擇方法，以提高應(yīng)用蟻群算法搜索無人機三維航路的效率。鮑帆針對無人機的快速航路規(guī)劃展開研究，結(jié)合無人機在飛行過程中的約束條件，提出動態(tài)權(quán)值的三維LPA*的航路規(guī)劃方法對二維航線產(chǎn)生的航線點之間進行規(guī)劃，滿足地形回避和威脅回避，當數(shù)字地圖改變時，LPA*算法可通過檢測局部一致性來避免進行重新的全局搜索，縮減了搜索空問，從而可以快速地修正航路。西北工業(yè)大學陳冬利用粒子群優(yōu)化算法，將約束條件和搜索算法相結(jié)合，從而有效減小搜索空間，得到一條全局最優(yōu)路徑。華中科技大學嚴江江針對三維航路規(guī)劃的實時性問題，不同于通常的最優(yōu)優(yōu)先算法，該方法使用可行優(yōu)先的準則，有效地剪除了搜索空間，提高了搜索效率，從而使三維航路規(guī)劃能夠應(yīng)用于實時航路規(guī)劃中。綜上所述，無人機三維航路規(guī)劃的優(yōu)化算法主要可歸納為以下幾類：智能化方法。包括粒子群優(yōu)化算法、遺傳算法、蟻群算法、禁忌搜索及啟發(fā)式搜索等。幾何方法。如Voronoi圖表等結(jié)合一些圖論搜索方法如Dijkstm法快速尋找最優(yōu)路徑。人工勢場法等。其中，遺傳算法收斂速度過慢，且容易陷入局部最優(yōu)，可以和模擬退火算法結(jié)合使用，但仍不能真正解決上述缺點；啟發(fā)式搜索A+算法是用于路徑搜索和規(guī)劃的經(jīng)典方法，但它在搜索過程中暴露的不足也很明顯；人工勢場法一般結(jié)合Voronoi圖或遺傳算法進行優(yōu)化，存在的問題是算法收斂時間太長，一般用做完成航路規(guī)劃的后期處理。以上方法的基本思路是通過降維減少搜索空間，提高搜索效率，其實質(zhì)仍然是二維航路規(guī)劃，但是這么做很難同時考慮威脅回避、航跡的最優(yōu)性以及規(guī)劃的實時性。隨著信息化戰(zhàn)爭進程的發(fā)展及科技的日益創(chuàng)新，防空體系日益完善，雷達及導彈性能更加優(yōu)越，事先很難完成探測和定位，因此，三維低空突防航路規(guī)劃及實時動態(tài)規(guī)劃具有很強的實戰(zhàn)意義，但無人機航路規(guī)劃尚存在以下問題：（1） 航路系統(tǒng)約束過于簡化。目前對無人機動力學約束考慮過于簡單，造成由此制定的航路往往受動力學約束而實際不可飛；此外，對威脅場空間降維處理至二維空間，