无人机双机协同航迹规划技术研究

发布时间：2017-08-10 22:26

  本文关键词：无人机双机协同航迹规划技术研究

  更多相关文章： 无人机 协同航迹规划 速度矢量场法 Leader-follower法 Motor Schema结构

【摘要】：多架无人机协同合作能缩短任务执行时间,提高任务完成质量,让机群优势得到充分发挥,是未来无人机发展的必然趋势。随着飞行环境的日益复杂,协同航迹规划技术逐渐成为保障多无人机系统自主安全飞行的重要手段,具有非常重要的研究意义。本文主要研究两架无人机巡航阶段的协同航迹规划技术,以速度矢量场法为核心设计协同规划算法,致力于快速为双机生成安全可飞的航迹,并在规划过程中实现双机在空间和时间上的协同。首先,完成双机协同关系的定义,明确了本文的研究目标;在二维空间中,对双机协同规划问题进行数学建模,建立了双机协同控制模型,将规划空间转换为速度矢量场的作用空间,实现双机编队问题的数学描述。其次,设计了双机协同控制方法,对原有的速度矢量场模型加以改进,将leader-follower法、Motor Schema结构和速度矢量场法相融合,并修改了合速度的计算方法,将速度分量乘以可实时配置的控制参数后再进行矢量叠加,保证可以根据实际环境动态调整双机的规划速度。然后,在协同航迹规划实现上,采用路标导引法解决速度矢量场陷阱问题;对无人机约束融合方法进行研究,实现无人机最小转弯半径约束和航迹免碰撞约束的融合;设计了临时目标点选择和探测步长调整两种协调机制来保证双机的协同关系;研究环境更新方法,采用局部更新策略,保证算法可以应用于动态变化的环境。最后,设计了双机协同规划算法,并开发了仿真测试软件,完成了对算法的仿真验证。仿真结果表明:双机协同规划算法是合理可行的,快速性强,能够有效地实现双机的协同。
【关键词】：无人机 协同航迹规划 速度矢量场法 Leader-follower法 Motor Schema结构
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 注释表12-13
• 缩略词13-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 研究背景和意义14-15
• 1.2 国内外发展与研究现状15-16
• 1.2.1 航迹规划系统国内外发展与研究现状15
• 1.2.2 航迹规划算法的发展与研究现状15-16
• 1.2.3 多无人机协同航迹规划国内外发展与研究现状16
• 1.3 多无人机协同航迹规划中的关键问题16-18
• 1.3.1 求解思路16-17
• 1.3.2 航迹协调方法17-18
• 1.4 论文主要内容与章节安排18-20
• 第二章 无人机双机协同航迹规划问题描述20-27
• 2.1 引言20
• 2.2 双机协同关系描述20-21
• 2.2.1 空间协同关系20-21
• 2.2.2 时间协同关系21
• 2.3 环境信息描述21-24
• 2.3.1 规划空间描述22
• 2.3.2 规划任务描述22
• 2.3.3 威胁描述22-24
• 2.4 无人机机动约束24-25
• 2.5 航迹表达25-26
• 2.6 本章小结26-27
• 第三章 基于速度矢量场双机航迹规划建模27-43
• 3.1 引言27
• 3.2 常见的编队控制问题27-30
• 3.2.1 典型队形27-28
• 3.2.2 常用的编队控制方法28-29
• 3.2.3 无人机间的通讯29-30
• 3.3 双机协同控制模型30-31
• 3.3.1 双机编队描述30
• 3.3.2 双机协同控制模型30-31
• 3.4 速度矢量场建模31-37
• 3.4.1 奔向目标速度模型32-33
• 3.4.2 保持队形速度模型33
• 3.4.3 规避威胁速度模型33-36
• 3.4.4 躲避其他无人机速度模型36-37
• 3.5 速度分量控制参数产生函数37-39
• 3.5.1 奔向目标速度控制参数37
• 3.5.2 保持队形速度控制参数37-38
• 3.5.3 规避威胁速度控制参数38
• 3.5.4 躲避其他无人机速度控制参数38-39
• 3.6 速度合成39-40
• 3.6.1 合速度计算39
• 3.6.2 决策模块39-40
• 3.7 航迹生成40-41
• 3.7.1 速度归一化40-41
• 3.7.2 航迹生成41
• 3.8 航迹评价指标41-42
• 3.9 本章小结42-43
• 第四章 双机协同航迹规划算法设计43-58
• 4.1 引言43
• 4.2 速度场陷阱43-44
• 4.2.1 陷阱问题描述43-44
• 4.2.2 陷阱解决方案44
• 4.3 无人机约束融合44-46
• 4.4 协调机制46-48
• 4.4.1 临时目标选择46-47
• 4.4.2 探测步长调整47-48
• 4.5 规划算法设计48-56
• 4.5.1 初始化模块51
• 4.5.2 环境更新模块51-53
• 4.5.3 协同处理模块53-54
• 4.5.4 航点迭代模块54-56
• 4.6 算法快速性保障策略56-57
• 4.7 本章小结57-58
• 第五章 双机协同航迹规划仿真验证58-76
• 5.1 引言58
• 5.2 仿真验证软件58-59
• 5.3 仿真实例与分析59-75
• 5.3.1 不同任务协同规划验证60-66
• 5.3.2 复杂威胁协同规划验证66-69
• 5.3.3 威胁更新协同规划验证69-74
• 5.3.4 结论74-75
• 5.4 本章小结75-76
• 第六章 总结与展望76-78
• 参考文献78-81
• 致谢81-82
• 在学期间发表的学术论文82

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本文编号：653022