三维真实地形环境下无人机救援航路规划方法

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1、2015年7月北京航空航天大学学报July2015第41卷第7期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．41No．7http：÷}bhxb．buaa．edu．en、buaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0479三维真实地形环境下无人机救援航路规划方法梁宵“，王宏伦2，孟光磊1，陈侠1(1．沈阳航空航天大学自动化学院，沈阳110136；2．北京航空航天大学无人驾驶飞行器设计研究所，北京100191)摘要：利用无人机

2、(UAV)的三维飞行能力，采用优化方法规划路径，能够使其在救援任务中比地面车辆以更短的时间到达救援区域，提高救援效率．针对真实的地理环境，根据无人机约束采用均匀化网格方法进行地形建模，之后根据地形数据的特点设计适合数学计算与求解的数据结构．最后设计了包含偏离代价、高度代价、地形跟随／回避代价、威胁代价和安全距离代价的综合性能指标函数，并采用航路点交叉和网格搜索代替航路点搜索的方法，对蚁群算法进行改进完成航路规划．仿真结果表明：本文方法能够直接处理三维地形数据，在保持地貌的前提下，完成了无人机的三维航路规划任务，得到满足无人机约束的三维最优航路，提

3、高了航路规划方法的实用价值．关键词：无人机(UAV)救援；三维航路规划；蚁群算法；数字地图；真实地形中图分类号：V249．1文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)07—1183-052008-05．12中国汶川发生了里氏8．0级的地震，带来了巨大的人员伤亡和经济损失，尽管及时抢修了道路，但是地面救援仍然无法在第一时间到达核心灾区．无人机的低成本特点以及三维飞行能力，使其在空中救援方面优于地面救援⋯，无人机按照规划的最优路径飞行能够在最短的时间到达救援区域，许多学者在这方面展开了研究．为了最大限度地发挥飞行优势，面向救援任务的无人机

4、航路规划集中在三维空间，因此传统的二维航路规划方法比如人工势场法旧1、RRT(RapidlyexploringRandomTree)法¨1等受到限制．三维救援搜索中，应用最广泛的一类方法是A+方法．通过与局部算法的组合，A’还能完成未知环境下的三维航路搜索H{1．但是A’方法只能保证距离上的最短，无法兼顾其他性能指标，因此多目标优化方法逐渐引起学者们的兴趣．利用蚁群方法能够找到最优的三维航路并具有鲁棒性，但是受地形建模的方式影响很大‘61．根据经验定义搜索域，通过改进编码方式和算法结构，Sulli—van等实现了遗传方法的多目标同时优化⋯．粒子群

5、算法计算速度快，通过对粒子的改进能够具备一定鲁棒性，并成功规划出适于可变形机器人的光滑航路¨。．为降低大尺度规划空间的算法时空开销，房建成等建立了基于MDP(MarkovDeci．sionProcesses)的全局路径规划模型，并将其拓展到三维规划中，但是仿真地形较为简单∽o．尽管在无人机三维航路规划方面的研究取得了很大进展，但是必须要面对的问题是：算法的优越性如何使其在实际的应用中发挥真实作用．该问题的解决涉及两个方面：首先，算法在设计阶段应该考虑无人机物理约束¨⋯，否则无人机无法按照规划出的航路进行飞行，航路规划就失去了本来的意义．其次，算法

6、的应用不能仅停留在虚拟地形的仿真阶段，要使其能够真实地作用于实际的收稿日期：2014-07．30：录用日期：2014-11-20；网络出版时间：2015-02．1316：56网络出版地址：WWW．cnki．nct／kcms／detail／11．2625．V．20150213．1656．002．html基金项目：国家自然科学基金(61175084)；沈阳飞行器控制与仿真技术重点实验室建设(F14—185．1_00)t通讯作者：梁宵(1984一)，男，辽宁沈阳人，讲师，connyzone@126．com，主要研究方向为无人机自主控制、航路规划、任务规

7、划．引用格式：粱寓．王宏伦．孟光磊．等．三维真实地形环境下无人机救援航路规划方法￡J]．北京航空航天大学学报．2015，41(7)：1183-1187．LiangX。WangHL，MengGL，eta1．PathplanningforUAVunderthree—dimensionalrea／terraininrescuemissionD]．J0umalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015．41(7)：1183-1187(inChinese)．第7期梁宵，等：三维真实地形环境下无人

8、机救援航路规划方法1185根据图2，可以得到如下结论：a。与o，、a：．瞄三孑筹㈩『cosp2竺一OD(5)【tan0=0’D／00’缸