城市风场环境中的无人机快速航迹规划方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar．252016V01．37No．3949—959ISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．caDOI：10．7527／S10006893．2015．0236城市风场环境中的无人机快速航迹规划方法李俨*，王重，齐延军，王怡馨西北工业大学自动化学院，西安710129摘要：密集的城市障碍环境以及复杂的城市风场干扰对航迹规划的实时性和航迹跟踪的

2、准确性提出了严格要求，为此提出一种城市风场环境中的小型无人机(UAVs)快速航迹规划方法。首先，为了保证航迹规划的高效性，对固定翼无人机运动学方程进行了合理简化。其次，由于障碍环境中的最优航迹难以直接完全塑造，因此根据状态受限的最优控制理论给出了可以使用螺旋线与直线构建近似最优航迹的结论，并据此提出了一种针对城市环境的三维航迹规划方法。然后，通过对无人机运动学模型的分析，从规划角度提出了风场干扰下的航迹设计准则。仿真实验中，首先通过算法对比实验，验证了航迹规划方法的高效性；然后使用六自由度(DOF

3、)飞机模型分别在无风场干扰和有风场干扰的环境下进行了航迹跟踪实验，实验结果证明了风场干扰下航迹设计准则的有效性。关键词：无人机；快速算法；最优控制；城市环境；风场影响中图分类号：V249．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)03—0949一11无人机航迹规划方法是无人机自主执行任务的先决条件之一。城市环境中，小型无人机的应用范围包括巷战低空侦察、交通监管等多种任务[1。4]。适应城市复杂环境的高效快速航迹规划算法，是无人机在城市环境中自主执行各种任务的关键技术。与一般的航迹规划

4、任务相比，低空城市环境中的小型无人机航迹规划具有一些独特的任务特性和环境特性[1]。首先，城市低空环境中一般空间狭小，障碍密布，而且人员活动密集，因此对于实时规划效率和跟踪精度的要求较高。规划方法效率低、规划出的航迹跟踪精度低等问题会导致灾难性后果。其次，受地表高层建筑影响，城市风场环境更加复杂，容易出现涡流、穿堂风场和角区气流等口]，不利于实现高精度的航迹跟踪。因此，城市环境中的航迹规划问题，既要求快速规划出有利于实现航迹跟踪的平滑轨迹；又要求规划中尽可能地考虑风场干扰，减小跟踪误差。目前常用的

5、航迹规划方法有人工势场法、网格划分法、路图法、基于采样的方法(Sample—basedAlgorithm)和基于最优控制的数值解法等。其中，人工势场法、网格划分法和路图法等一般不考虑无人机的运动学约束，规划出的折线路径不利于航迹跟踪[6]。基于采样的方法可以规划出平滑航迹，也可以适用于高阶、复杂动态系统的航迹规划口‘91；但是如果对航迹的优化程度要求较高，算法往往需要上千次迭代计算，效率较低[8]。基于最优控制的数值解法，如Chebyshev伪谱法口⋯、高斯伪谱法口1

6、、hp自适应伪谱法[123和

7、逆动力学优化方法等[1⋯，能够应用于复杂运动学约束下的航迹规划问题，并得到了广泛深入的研究。但对于具体的城市密集障碍与复杂风场环境，还收稿日期：2015—04—29；退修日期：2015—05—26；录用日期：2015—08—26；网络出版时间：2015·09—0109：32网络出版地址：WWWcnkinet／KOMS／detail／111929．V20150901．0932008htmI基金项目：国家自然科学基金(61473233)*通讯作者Tel：029—88431303E-mail：liyan

8、@nwpu．edu．cn引用格武：李俨，壬重．齐延军．等．城市风场环境中的无人机快速航迹规翔方法iJj÷航空学报．2016．37(3)：949—959．LIY。WANGZ，QIYJ，etal．ArapidtrajectoryplanningalgorithmforUAV{nurbanareaswithwindfieldsEJ2．ActaAeronauticaetAstronauti—caSinica，2016，37(3)：949-959．航空学报Mar252016YoI．37No．3未出现具有针对

9、性的相关解决方法。针对城市密集障碍与复杂风场环境中的航迹规划问题，本文提出了一种快速航迹规划方法；然后通过对无人机运动学模型的分析，给出了风场环境中的航迹设计准则。最后，分别通过航迹规划与航迹跟踪实验，验证了快速规划算法及航迹设计准则的高效性。1航迹规划模型与问题fx(￡)一Vcos“cos9{y(￡)一VcosPsin尘(1)【2(￡)一Vsin比角。在航迹角较小时，近似有COSP≈1，sin∥≈PJ∥一％8i～(2)z(￡)一V：l缈(f)一∞jy．(t卜％s油9+Vcsin职