使用dubins路徑和回旋曲線進(jìn)行多個無人機(jī)的路徑規(guī)劃(已修改)
2025-08-15 09:22 本頁面
【正文】 使用Dubins路徑和回旋曲線進(jìn)行多個無人機(jī)的路徑規(guī)劃摘要：本文講述了對一群無人機(jī)進(jìn)行路徑規(guī)劃的方法。進(jìn)行這樣研究要解決如何使一批無人機(jī)同時到達(dá)目標(biāo)的問題。制定可以路徑（適航、安全的路徑）稱為路徑規(guī)劃，它分為三個階段。第一階段使規(guī)劃適航路徑，第二階段通過添加額外的約束規(guī)劃安全的路徑，使無人機(jī)不與其他無人機(jī)或者已知的障礙碰撞，第三階段對路徑進(jìn)行規(guī)劃是無人機(jī)同時到達(dá)目標(biāo)。在第一階段，每個無人機(jī)都使用Dubins路徑和回旋曲線進(jìn)行路徑規(guī)劃，這些路徑是通過微分幾何原理完成的。第二階段為這些路徑添加安全約束：（一）無人機(jī)間保持最小間距，（二）規(guī)劃相同長度的非交叉路徑，（三）飛過中間的航線點/形狀，使這些路徑更安全。第三階段，所有路徑長度相等使無人機(jī)可以同時到達(dá)目標(biāo)。一些模擬仿真結(jié)果證實了這一技術(shù)。 介紹 在許多應(yīng)用程序中自動控制取代了人類操作，像軍事系統(tǒng)中存在危害人類因素的地方、處理有害物質(zhì)、災(zāi)難管理、監(jiān)視偵察等單調(diào)的操作。需要開發(fā)自動控制系統(tǒng)來更換這些系統(tǒng)中的人類操作員，這樣的自動控制系統(tǒng)在水陸空各種環(huán)境中都有。在無人機(jī)的研究中，水陸空等因素是作為一個集體進(jìn)行研究的。無人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景，因此有許多關(guān)于無人機(jī)的學(xué)術(shù)或商業(yè)性質(zhì)的研究。廉價電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展使得無人機(jī)更加實用。大自然中成群的鳥和魚給了人們靈感，聯(lián)合控制是自動控制中的一個活躍的研究方向。雇傭一批無人機(jī)可以產(chǎn)生成本效益和容錯系統(tǒng)。從一個地方飛到另一個地方并作為一個移動傳感平臺進(jìn)行監(jiān)視或跟蹤是無人機(jī)的一個功能，實現(xiàn)這個功能需要為無人機(jī)提供一個合適的安全路徑。路徑規(guī)劃是任務(wù)規(guī)劃的一個分支，圖1是任務(wù)規(guī)劃的典型功能體系結(jié)構(gòu)。圖1有三個分支，分支的數(shù)量和功能會根據(jù)應(yīng)用程序和任務(wù)目標(biāo)的不同而改變。第一層分支的任務(wù)是跟蹤目標(biāo)，基于這些目標(biāo)，這層為無人機(jī)分配任務(wù)和資源并且充當(dāng)決策者。第二層為無人機(jī)規(guī)劃路徑和軌跡，這一層用路徑規(guī)劃和相關(guān)的算法（如避免碰撞）規(guī)劃可行的軌跡/路徑。第三層進(jìn)行指導(dǎo)和控制，保證無人機(jī)在第二層規(guī)劃的軌跡上飛行。本文著重于第二層的研究，在第二層，路徑規(guī)劃產(chǎn)生的軌跡使一群無人機(jī)同時到達(dá)指定位置。在自動控制系統(tǒng)領(lǐng)域，路徑規(guī)劃仍然是一個公開的問題。路徑規(guī)劃是在兩個或多個點之間規(guī)劃出一條或多條路徑，通常這些點是在存儲地圖上指定的。路徑規(guī)劃是一個復(fù)雜的問題，它需要滿足操作環(huán)境和其他作戰(zhàn)需求等物理約束，其中最重要的約束是路徑必須是可以飛行的，無人機(jī)的適航路徑必須滿足運動學(xué)約束以確保無人機(jī)運動在操縱曲率的最高界限。圖1任務(wù)規(guī)劃的層次結(jié)構(gòu)操縱曲率與無人機(jī)的橫向加速度成正比(a=kvv)（a是橫向加速度，k是曲率，v是無人機(jī)的速度），無人機(jī)路徑上所有點的曲率必須小于最大曲率。因此，路徑是否可以飛行是由路徑曲率決定的（三維空間中它是由曲率和轉(zhuǎn)矩共同決定的）。第二個重要約束是安全性。躲避障礙和其他無人機(jī)的能力是衡量路徑安全性的主要指標(biāo)，路徑必須保證無人機(jī)避免與己方無人機(jī)相撞，并且能夠靈活的躲避環(huán)境障礙帶來的威脅。此外，路徑最短、燃料和能源消耗最小等附加約束可以提供更好的性能和效率，本文認(rèn)為最短路徑通常也是最節(jié)能路徑?？赡苓€存在維持復(fù)雜城市環(huán)境中的通信、完成任務(wù)的時間、基于任務(wù)目標(biāo)的資源管理等約束。因此，本文的主題是在存在靜態(tài)障礙的環(huán)境中為一群無人機(jī)規(guī)劃長度相等的安全適航路徑，確保無人機(jī)同時到達(dá)目標(biāo)。 準(zhǔn)備工作在近代多架無人機(jī)的路徑規(guī)劃的研究非?；钴S。不同的應(yīng)用領(lǐng)域（監(jiān)視、搜索和跟蹤、救援、災(zāi)害監(jiān)測等）有不同的目標(biāo)和方法。目前存在多種解決方案，每一種方案都有自己的優(yōu)點。但是隨著問題復(fù)雜性的增加，我們需要新的解決方案。大多數(shù)的解決方案都可以由一個簡化框圖（見圖2）表示圖2 現(xiàn)有方法的路徑規(guī)劃使用這種方法進(jìn)行路徑規(guī)劃需要輸入航跡點、障礙位置和大小、以及相關(guān)的不確定因素，通過優(yōu)化技術(shù)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃。這些解決方案沒有固定的曲率約束，因此，產(chǎn)生的路徑通常是多邊形的。
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