面向移动目标追踪的多无人机协同航迹规划及任务分配

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1、国家自然科学基金Ｎｏ．６１７７３２７９天津大学硕士学位论文面向移动目标追踪的多无人机协同航迹规划及任务分配ＭｕｌｔｉｌｅＵＡＶｃｏｏｅｒａｔｉｖｅａｔｈｌａｎｎｉｎｐｐｐｐｇａｎｄｔａｓｋａｌｌｏｃａｔｉｏｎｆｏｒｔｒａｃｋｉｎｍｏｖｉｎｇｇｔａｒｅｔｓｇ学科专业：控制科学与工程作者姓名：杨娜指导教师：胡超芳副教授天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得

2、的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研宄成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料一。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字曰期：＞；ｒ年４月今曰＾ｊ学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特桴权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存

3、、汇编以供査阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年丨＞月午日签字日期：年／＞月４日－１摘要随着航空科学技术的快速发展，在脏乱、恶劣、危险的作业环境中无人机得到了广泛的应用。在无人机的很多应用中，如城市追踪、森林救援、军事打击等，都包含了目标追踪问题。由于飞行环境复杂，约束条件多，单架无人机不足以实现对目标的持续追踪，因此需要多无人机协作以持续、精确的追踪目标

4、。由此，多无人机协同追踪地面移动目标的航迹规划及任务分配问题引起了国内外学者的广泛关注。无人机航迹规划取决于任务分配结果，而任务分配过程中的指标函数与无人机的航迹规划有关，两者相互影响，相互制约。因此，本文以复杂的城市环境为背景，以实现目标协同追踪为目的，提出了面向移动目标追踪的多无人机协同航迹规划及任务分配方法。针对带有优先级约束的多指标航迹规划问题展开研究，首先，考虑城市环境中建筑物对无人机视线遮挡、无人机控制输入和传感器能量消耗等因素，以目标覆盖度、控制输入代价和开

5、关量形式的传感器能耗为指标函数，将多无人机协同追踪问题转化为多指标规划问题；然后，基于分布式预测控制框架，利用每架无人机未来有限时域内的预测状态，构建多无人机之间避碰约束，并结合无人机自，形成分布式协同航迹规划模型，针对多身的最小转弯半径等约束；最后个优化指标的不同重要性等级要求，利用模糊优化思想将指标模糊化，并以更重要指标具有更重要满意度为原则，将不同指标间优先级关系表示为松弛满意度序，通过在线求解，实时获得有限时域内每架无人机的局部航迹。考虑无人机实际飞行过程中，目标运动

6、状态未知的情况，通过扩展卡尔曼滤波和概率滤波相结合的方法，对目标的运动状态进行估计与预测。当目标沿道路直线运动时，利用扩展卡尔曼滤波对目标状态进行估计与预测；当目标沿道路转弯时，利用概率滤波对目标状态进行估计与预测。以目标估计与预测状态为基础，。为无人机的实时协同航迹规划提供可靠信息，实现对移动目标的持续追踪一考虑多无人机协同追踪多目标的情况，为保证追踪系统满足每时刻每个目一标至少被架无人机追踪，且每架无人机都执行追踪任务的任务要求，对多无人机协同航迹规划及任务分配问题展开研

7、宄。首先，将协同追踪多目标问题转化成一一－体个复杂的０１混合整数规划问题，然后结合粒子群算法给出了分层求解和化求解两种方法：分层求解，即首先利用协同航迹规划方法优化航迹，然后利用一体化求解粒子群算法实时优化变量０和１，进行任务分配，即任务分配与航；迹规划同时进行求解。粒子群算法不仅优化变量０和１，还要同时优化协同航迹，Ｉ结合城市道路背景一，利用事件触发的思想，设计城市道路事件触发机制，缩短体化求解的整体时间，实现任务分配。？关键词？无人机，航迹规划，任务分配，预测控制，模

8、糊多指标，扩展卡尔曼滤波，概率滤波，粒子群ｎＡＢＳＴＲＡＣＴＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｏｆａｖｉａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｍｕｌｔｉｌｅｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅｐｇｙ，ｐ（ＵＡＶ）ｉｓｕｓｅｄｗｉｄｅｌｙｉｎｔｈｅｄｉｒｔｙａｎｄｄａｎｇｅｒｏｕｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｔｏｐｅｒｆｏｒｍｔａｓｋｓ，ｔｈｅｔａｒｅｔｔｒａｃｋｉｎｉｓｔｈｅｆｏ