無人機(jī)航跡規(guī)劃仿真模擬研究

1、無人機(jī)航跡規(guī)劃仿真模擬研究王從俠韓啟超【摘要】首先介紹無人機(jī)航跡規(guī)劃的研究方法，基于無人機(jī)的飛行性能特性、可能遇到的敵方威脅及高精度數(shù)字地圖等相結(jié)合建立模擬地形的等高線圖。根據(jù)無人機(jī)的任務(wù)分配、任務(wù)載荷要求、航跡規(guī)劃過程中可能遇到的高度約束、轉(zhuǎn)彎角約束、時(shí)間約束、威脅約束、爬升角約束、最小步長約束等各種約束，選擇時(shí)間代價(jià)、性能代價(jià)最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)，采用A*算法對無人機(jī)從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的航線進(jìn)行綜合規(guī)劃，得到全局范圍內(nèi)最優(yōu)的參考飛行航線。仿真結(jié)果說明該方法能夠滿足無人機(jī)航跡規(guī)劃的任務(wù)要求?！娟P(guān)鍵詞】無人機(jī)；航跡規(guī)劃；目標(biāo)函數(shù)；規(guī)劃時(shí)間；A*算法中圖法分類號V211.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：209

2、5-2457202116-0001-003DOI：10.19694/j ki.issn2095-2457.2021.16.001【Abstract】TheUAVrouteplanningresearchmethodwasfirstlyintroduced.basedontheUAVflightperformancecharacteristics，theenemythreatandhighprecisiondigitalmaps，theterraincontoursimulationmapswereestablished.AccordingtotherequirementsoftheUAVtas

3、kallocation，taskload，theheightconstraints，thetimeconstraints，thethreatsconstraints，theclimbingangleconstraints，theminimumsteplength，Choosedthetimeandperformancecostobjectivefunction，basedontheA*algorithm，theglobaloptimalflightpathfromthestartingpointtothetargetpoint.Thesimulationresultsshownthatthem

4、ethodcouldsatisfytheUAVrouteplanningrequirement.【Keywords】UAV；Routeplanning；Objectivefunction；Planningtime；A*algorithm0引言航跡規(guī)劃是根據(jù)任務(wù)目標(biāo)規(guī)劃滿足約束條件的飛行軌跡，是無人飛行平臺任務(wù)規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)之一；航跡規(guī)劃也是無人機(jī)未來作戰(zhàn)的重要技術(shù)，其受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。無人機(jī)實(shí)際飛行中如果實(shí)時(shí)定位出突發(fā)威脅目標(biāo)如防空導(dǎo)彈、掃描雷達(dá)等位置情況，必須進(jìn)行航跡規(guī)劃。無人機(jī)航跡規(guī)劃是指在綜合考慮無人機(jī)任務(wù)要求、機(jī)動性能、平安突防和飛行時(shí)間等各種約束因素下，尋找一條從起始點(diǎn)到目標(biāo)

5、點(diǎn)的最優(yōu)或可行的飛行軌跡。無人機(jī)航跡規(guī)劃的主要流程是：搜集任務(wù)區(qū)域的情報(bào)、準(zhǔn)備數(shù)字地圖和敵方威脅信息，并對數(shù)字地圖各點(diǎn)由威脅產(chǎn)生的危險(xiǎn)程度進(jìn)行量化處理，然后采用有效的航線優(yōu)化技術(shù)對從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的飛行航線進(jìn)行規(guī)劃，得到全局最優(yōu)的參考飛行航線，根據(jù)目標(biāo)位置的變化實(shí)時(shí)更新航跡完成任務(wù)飛行。無人機(jī)航跡規(guī)劃在地面準(zhǔn)備階段，需要搜集任務(wù)區(qū)域的情報(bào)、準(zhǔn)備數(shù)字地圖和敵方威脅信息，并對數(shù)字地圖各點(diǎn)由威脅產(chǎn)生的危險(xiǎn)程度進(jìn)行量化處理，然后采用有效的航線優(yōu)化技術(shù)對從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的飛行航線進(jìn)行規(guī)劃，得到全局最優(yōu)的參考飛行航線。針對無人機(jī)航跡規(guī)劃的任務(wù)要求和特點(diǎn)，對離線事前航跡規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用建立航跡規(guī)劃數(shù)據(jù)

6、庫，將提前構(gòu)成生產(chǎn)的連通圖保存到航跡數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)行航跡規(guī)劃時(shí)，可直接從航跡數(shù)據(jù)庫中提取航跡片元連通圖生成軌跡，可大大縮短航跡規(guī)劃的時(shí)間。1無人機(jī)航跡規(guī)劃分析搜集任務(wù)區(qū)域的情報(bào)、準(zhǔn)備數(shù)字地圖和敵方威脅信息，并對數(shù)字地圖各點(diǎn)由威脅產(chǎn)生的危險(xiǎn)程航跡規(guī)劃的流程圖如圖1所示，通常無人機(jī)航跡規(guī)劃分為以下幾步來實(shí)現(xiàn)：1建立高精度的數(shù)字地圖和數(shù)字地圖的預(yù)處理。即分析搜集無人機(jī)任務(wù)區(qū)域范圍的情報(bào)、準(zhǔn)備數(shù)字地圖和可能的敵方威脅信息，并對數(shù)字地圖各點(diǎn)由威脅產(chǎn)生的威脅程度進(jìn)行量化處理，建立模擬地形的等高線圖；2無人機(jī)飛行能力的準(zhǔn)備。無人機(jī)在航跡規(guī)劃的過程中會遇到最小步長約束、最小飛行高度約束、最大航程約束、最大轉(zhuǎn)彎角

7、約束、最大爬升角約束等，因此需要考慮無人機(jī)飛行性能約束的前提下，得到滿足各種威脅及消耗綜合代價(jià)最優(yōu)的飛行航跡；需要考慮無人機(jī)飛行性能的約束限制。3無人機(jī)任務(wù)載荷和指標(biāo)的準(zhǔn)備。主要包括無人機(jī)任務(wù)的分配，根據(jù)無人機(jī)所搭載的任務(wù)載荷的不同，分配不同的任務(wù)指標(biāo)；4算法比照仿真研究，選擇時(shí)間代價(jià)、性能代價(jià)最優(yōu)的無人機(jī)航跡規(guī)劃算法；5輸出無人機(jī)的飛行航跡路徑。即采用有效地航線優(yōu)化技術(shù)對無人機(jī)從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的飛行航線進(jìn)行綜合規(guī)劃，得到全局范圍內(nèi)最優(yōu)的參考飛行航線。2模型建立2.1約束條件無人機(jī)航跡規(guī)劃的目的是要找到從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)范圍內(nèi)的最優(yōu)參考飛行航線。其目的是要優(yōu)化一體能夠保證無人機(jī)飛行平安的最優(yōu)飛行

8、軌跡，既要減小被敵方防空武器攻擊的可能，也要時(shí)間代價(jià)最小，同時(shí)飛行過程總還會遇到各種不同的約束限制。無人機(jī)航跡規(guī)劃時(shí)需要考慮的約束條件包括：最小步長約束、最小轉(zhuǎn)彎半徑約束、最大爬升角、最大航跡長度、最大節(jié)點(diǎn)數(shù)和最小飛行高度等約束條件。2.2算法選擇將數(shù)字地圖與航跡規(guī)劃算法融合實(shí)現(xiàn)傳感器無人機(jī)離線航跡規(guī)劃功能。由于航跡規(guī)劃算法Voronoi圖法、遺傳算法、A*算法等各有利弊，A*算法能夠很好地將傳感器無人機(jī)的最小航段距離和最大轉(zhuǎn)彎角等約束融合到搜索過程中，可以縮小搜索范圍，從而大幅度提高航跡規(guī)劃的速度。A*算法主要是先確定代價(jià)函數(shù)，然后優(yōu)化尋找最優(yōu)的航跡路徑，A*算法的主要思路是計(jì)算區(qū)域范圍內(nèi)的

9、每一個(gè)可能網(wǎng)格單元的代價(jià)函數(shù)，再將總體代價(jià)最小的單元參加到搜索空間中，因此A*算法的一般估價(jià)函數(shù)由兩局部構(gòu)成，3仿真分析無人機(jī)航跡規(guī)劃時(shí)需要將無人機(jī)的各種約束限制參加到A*算法中，因此采用本文的無人機(jī)航路規(guī)劃思路，仿真平臺如下表1所示。圖2為根據(jù)無人機(jī)航跡規(guī)劃環(huán)境，模擬出的地形等高線圖。圖3為權(quán)重w1=0.001，w2=300，w3=0.1時(shí)，按照A*算法模擬的無人機(jī)航跡規(guī)劃仿真圖，仿真結(jié)果說明，總概率密度最低值fmin=0.001；規(guī)劃時(shí)間T=162.755342s，路徑長度l=592.1844，總威脅概率值為0.0895。圖4為權(quán)重w1=0.001，w2=100，w3=0.1時(shí)，按照A*算

10、法模擬的無人機(jī)航跡規(guī)劃仿真圖，仿真結(jié)果說明，總概率密度最低值fmin=0.001；規(guī)劃時(shí)間T=132.104953s，路徑長度l=582.8269，總威脅概率值為0.2169。圖5為權(quán)重w1=0.005，w2=300，w3=0.1時(shí)，按照A*算法模擬的無人機(jī)航跡規(guī)劃仿真圖，仿真結(jié)果說明，總概率密度最低值fmin=0.001；規(guī)劃時(shí)間T=155.554166s，路徑長度l=598.768，總威脅概率值為0.08。圖6為權(quán)重w1=0.005，w2=300，w3=0.5時(shí)，按照A*算法模擬的無人機(jī)航跡規(guī)劃仿真圖，仿真結(jié)果說明，總概率密度最低值fmin=0.001；規(guī)劃時(shí)間T=5.694579s，路徑

11、長度l=550.1421，總威脅概率值為0.2356。圖7為權(quán)重w1=0.005，w2=300，w3=0.05時(shí)，按照A*算法模擬的無人機(jī)航跡規(guī)劃仿真圖，仿真結(jié)果說明，總概率密度最低值fmin=0.006；規(guī)劃時(shí)間T=14.471906s，路徑長度l=550.9683，總威脅概率值為0.2333。表2是不同權(quán)重狀態(tài)下的無人機(jī)航跡規(guī)劃結(jié)果比照。從表中可以看出，航跡規(guī)劃時(shí)間與權(quán)重的選取關(guān)系密切。4結(jié)論本文介紹了無人機(jī)航跡規(guī)劃的研究方法與思路，并采用A*算法對無人機(jī)航跡進(jìn)行了仿真模型，研究說明A*算法能夠滿足無人機(jī)航跡規(guī)劃的要求，且效率比較高；同時(shí)不同權(quán)重下無人機(jī)的航跡路徑有較大的差異?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】【1】?世界無人機(jī)大全?編寫組.世界無人機(jī)大全M.北京：航空工業(yè)出版社，2021.【2】祝小平，等.無人機(jī)設(shè)計(jì)手冊M.北京：國防工業(yè)出版社，2021：79-82.【3】王維平，劉娟.無人飛行器航跡規(guī)劃方法綜述J.飛行力學(xué)，2021，282：6-10.【4】馬向玲，葉文，范洪達(dá).低空突防航跡規(guī)劃算法仿真研究J.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2021，163：458-464.【5】柳長安，王和平，李為吉.基于遺傳算法的無人機(jī)協(xié)同振顫航路規(guī)劃J.飛機(jī)設(shè)計(jì)，2021，31：47-52.【