多飞行器编队三维避障算法研究

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1、学校代码：10406分类号：TP242.6学号：120081101014南昌航空大学硕士学位论文（学位研究生）多飞行器编队三维避障算法研究硕士研究生：殷林飞导师：代冀阳教授申请学位级别：硕士学科、专业：控制理论与控制工程所在单位：信息工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：南昌航空大学Researchon3DObstacleAvoidanceProblemforMultipleAircraftFormationADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterOnControlTheoryandContro

2、lEngineeringbyYinLinFeiUndertheSupervisionofProf.DaiJiYangSchoolofInformationEngineeringNanchangHangkongUniversity,Nanchang,China摘要随着现代军事战争的发展，对多飞行器协同作战的要求战越来越高。在包含编队队形控制和避障控制的多飞行器编队协同控制方法中，人工势能场法是一种常用方法，具有高实时性和对突发威胁的突防能力强等特点，当也存在局部困扰现象导致飞行器无法避开障碍物且无编队队形保持能力、存在零势能点导致飞行器停止移动等不

3、足。本文针对多飞行器编队避障问题，对现有人工势能场法进行改进，提出了矢量人工势能场法，建立了相关模型并进行仿真，主要研究工作包括以下几方面内容：1.在对多飞行器编队避障问题的国内外研究现状进行综述的基础上，将飞行器归为一类智能体，分析了解决多智能体编队避障问题的人工势能场法，对现有人工势能场法进行改进，提出了矢量人工势能场法，该算法同时考虑了多智能体编队避障和编队队形控制问题，通过在合力中加入回环力与多飞行器之间作用力，由合力实时地确定加速度以不断更新飞行器的速度以及采用矢量表示合力、加速度和速度；且该方法考虑了编队队形控制问题。2.在多智能体编

4、队避障问题的研究中，建立了新的障碍物模型、智能体模型、目标模型、编队模型和合力模型，改进了多智能体的避障方式。所建模型均含有二维和三维模型；智能体的避障方式从二维拓展到三维。采用复杂形状障碍物设计了布满复杂障碍物的运行环境，并归纳了矢量人工势能场法的算法步骤。3.采用飞行器作为实例进行数值仿真，分别在布满简单和复杂障碍物的环境中进行单个飞行器和多飞行器编队的避障数值仿真，且分别在二维和三维空间中进行数值仿真。从飞行器二维和三维避障的数值仿真结果看，所有飞行器都通过障碍物区域，且最终维持了编队队形，此数值仿真结果验证了矢量人工势能场法应用在解决多飞

5、行器编队避障问题中的可行性和有效性。4.为增强三维避障算法的可视化效果，搭建了基于MicrosoftVisualStudio2010、MATLAB2010和XNA4.0的三维视景仿真平台，并展示了飞行器在该平台上的三维避障效果。关键词：多飞行器编队，多智能体编队，矢量人工势能场法，避障问题，回环力IAbstractTherequirementofmultipleaircraftcooperativeengagementisincreasingwiththedevelopmentofmodernmilitarywar.Theartificialpo

6、tentialfield(APF)method,isacommonmethodtosolvebothformationcontrolproblemandobstacleavoidancecontrolprobleminthemultipleaircraftformationcooperativecontrolproblem.TheAPFmethodhasstrongreal-timeprocessingability,especiallyforpop-upobstacles,butthefollowingproblemsexistintheAPF

7、method,theaircraftmaystopmovingbecauseofzeropotentialpoint,theaircraftcannotavoidobstaclesbecauseoflocalminimumproblem,andtheaircraftmaynothavetheabilityofformationkeeping.Thevectorialartificialpotentialfield(VAPF)methodisproposed,animprovedmethodisproposedbasedontheAPFmethod

8、.Therelativemodelsareestablishedinthispaper.Theresearchworkcanbeorga