基于动态流体扰动原理的三维滚动航路规划

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1、2015年12月第41卷第12期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsDeeember2015V01．41No．12http：÷fbhxb．buaa．edu．CBjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0773基于动态流体扰动原理的三维滚动航路规划姚鹏1’2，王宏伦“”，刘畅1’2(1．北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191；2．北京航空

2、航天大学飞行器控制一体化技术重点实验室，北京100191)摘要：针对复杂环境中存在运动目标、移动威胁与突发威胁等多种情况，将动态流体扰动算法与滚动优化策略相结合，进行无人机(UAV)三维动态航路规划．基于移动目标运动信息与威胁运动信息引入相对初始流场，用扰动矩阵量化表示障碍物或威胁对相对初始流场的扰动影响，计算相对扰动流场，进而得到实际流场流线即无人机规划航路．充分利用实时环境信息，综合考虑未来运动态势，在有限时域内采用动态流体扰动算法规划出可选航路，然后构建目标函数，滚动优化反应系数，实现在线航路规划．

3、仿真结果表明，该算法能较好地适用于复杂动态环境．关键词：无人机(UAV)；三维动态航路规划；复杂环境；动态流体扰动；滚动优化中图分类号：V249．1文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)12—2280-08无人机(UnmannedAerialVehicle，UAV)航路规划，是实现其自主飞行的关键技术之一．在静态已知环境下，无人机的航路规划技术已比较成熟，通过离线全局规划即可得到一条从起点到目标点的最优飞行航路¨’2o．但无人机实际飞行环境往往是复杂动态未知的，某些特定飞行任务下，无人机需

4、要在跟踪运动目标的同时躲避移动威胁或突发威胁，这就要求无人机能够处理各种动态情况，在线规划可飞航路，而当前大多数算法仅单独考虑了动态威胁或运动目标情况¨‘7。．此外，相比于二维航路，三维航路更能充分发挥无人机的机动性能，从而适应于低空突防、低空探测等任务规划．因此。复杂三维环境下的动态航路规划技术受到越来越多的关注。文献[3]提出了一种基于行为协同和虚拟目标相结合的动态航路规划方法，将规划行为分为局部规划行为和全局规划行为．文献[4]采用部分可观测马尔可夫决策过程引导无人机跟踪地面运动目标．文献[5]采用

5、改进的人工势场法，将相对速度引入势能函数中，使其适用于动态环境．文献[6-7]采用模型预测控制(MPC)中的滚动优化策略，用局部最优代替全局最优．上述方法虽然能较有效地规划二维动态航路，但扩展到三维复杂飞行环境下，它们的计算效率将大幅降低，无法满足实时性要求．此外，上述方法规划出的航路不够平滑，因此需要额外的航路平滑，影响计算效率．与上述算法相比，流函数法¨1作为人工势场法的一种变形，由于其快速性与平滑的航路特性，可有效应用在二维动态飞行环境中Ho．该方法通过对速度势函数求导获得流线速度，然后对流线速度进

6、行积分即可得到流线，即无人机的规划航路，但该方法在三维环境下往往得不到完整的解析式．文献[10]采用基于流水避石原理的三维航路规划算法，将流体计算与航路规划相结合，规划收稿日期：2014．12-10；录用日期：2015-03-06；网络出版时间：2015-04-0211：37网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150402．1137．010．html基金项目：国家自然科学基金(61175084)作者简介：姚鹏(1989一)，男，山东潍坊人，博士研究生，y

7、aopenghappy@163．corn十通讯作者：王宏伦(1970一)，男，陕西西安人，教授，hl—wang_2002@126．tom，主要研究方向为无人机自主飞行控制、管理与决策引用格式：姚鹃，王宏伦。到畅．基于动态流体扰动琢理的三维滚动航路规划lj]．北京航空航天大学学报．2015，41(12)：2280．2287．YaoP，WangHL，Liuc．Three。dimensionalrollingpathplanningviadynamicfluiddisturbanceⅣJ．JournalofBe

8、iiingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，4j(12)：2280—2287(inChinese)．第12期姚鹏，等：基于动态流体扰动原理的三维滚动航路规划2281出具有流体特性且符合无人机约束的航路，该方法具体可分为解析法与数值法．解析法虽然仅能处理球形障碍但计算量很小，因此适用于简单地形下的快速航路规划，数值法计算较繁琐但可处理各种障碍，因此适用于复杂地形下的离线航路规