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1、第28卷第2期飞行力学Vol.28No.22010年4月FLIGHTDYNAMICSApr.2010无人飞行器航迹规划方法综述王维平,刘娟(国防科技大学信息系统与管理学院,湖南长沙410073)摘要:首先从不同角度给出航迹规划的两种定义,把航迹规划问题拆分为规划空间、航迹表示、约束条件、目标函数、规划算法五个子问题,提出了适用于各类无人飞行器航迹规划问题分析求解的过程模型。对规划空间构造方法、目标函数、规划算法进行分类比较,并给出每种方法的优、缺点及适用范围,辅助规划人员针对具体需求快速明确规划思路并选择算法。最后指出了航迹规划未来面临的新问题、新挑战。关键词:飞行器;航迹规划;规
2、划空间;目标函数中图分类号:TJ76116文献标识码:A文章编号:100220853(2010)0220006205引言的构造就是确定J的表达式。而约束条件的存在使得解空间成为C空间的子集。航迹规划(RoutePlanning)是一个综合性很强的跨领域研究课题。自上世纪50年代以来,国内外各领域的学者根据各自的学科背景和专业领域,提出了多种航迹规划方法。然而,随着规划新方法、新算法的不断提出,给规划设计人员也带来了困扰。在众多的规划方法中,选择一种更适合当前需求的方法,就必须准确把握航迹规划问题的本质,并对各类规划方法有充分的理解和认识。图1航迹规划问题描述为把握航迹规划问题本质,
3、充分利用现有研究112航迹规划方案设计成果,根据飞行器特点和规划需求,快速分析规划相无论针对何种飞行器,航迹规划问题本身都包关问题,选择合理的规划方法,本文提出了飞行器航含了一些相同的基本要素:航迹表示、规划空间建迹规划分析求解的过程模型,对主流规划思想及相模、约束条件解析、目标函数确定、规划算法选取。关算法进行分类比较,并给出各自的适用范围,最后航迹规划实际就是要依次解决下面6个问题(见图根据国内外最新研究进展,指出了航迹规划未来面2),每个问题的答案构成了规划的整体解决方案。临的新问题、新挑战。(1)明确规划类型首先明确该规划问题属于轨迹规划,还是路径1航迹规划问题分析规划,这
4、直接关系到下面的方法选择。轨迹规划111航迹规划定义(TrajectoryPlanning)是基于控制论的优化,它需要定义1:(从航迹规划问题需求角度)航迹规划考虑飞行器运动动力学约束,生成的轨迹是由运动是指在给定的规划空间内,寻找飞行器从起始点到学、动力学微分方程积分得到的与时间相关的空间达目标点且满足某些约束条件并使某项性能指标达曲线。路径规划(PathPlanning)是一种基于几何学[1]到最优的轨迹。的空间搜索。它一般不考虑飞行器的运动学和动力定义2:(从航迹规划问题内涵角度)航迹规划学约束,生成的飞行路径是与时间无关的静态空间是一个有约束的泛函极值问题。如图1所示,泛函
5、曲线。J(x(t))即规划目标函数,泛函自变量函数x(t)为(2)规划航迹形式航迹函数,航迹规划就是要寻找能够使J(x(t))最航迹的表达方式关系到如何建立几何空间到C小的x(t)。容许函数集S为三维几何空间,航迹表空间(ConfigurationSpace)的映射。规划生成的航迹示就是完成该三维空间到C空间的映射f,目标函数有两种形式:一是用飞行器运动学、动力学描述的连收稿日期:2009208226;修订日期:2009211227作者简介:王维平(19622),男(满族),辽宁金县人,教授/博导,博士,研究方向为体系工程与体系仿真;刘娟(19802),女,山西太原人,博士研究生,
6、研究方向为系统工程与建模仿真理论、飞行器航迹规划。第2期王维平等.无人飞行器航迹规划方法综述7续平滑航迹;二是用航迹点、航迹段(弧)表示的几目标函数即目标泛函J(x(t)),它是评价航迹何航迹。前者往往包含了航迹的控制规律,后者仅性能好坏的标准,表示了航迹规划的最终目的。不表征了航迹的空间形态。同规划往往有不同的侧重点和不同的目标函数形式。有的希望飞行器以最短时间、距离到达目标,有的希望飞行器能够保证最大生存概率并且具有较低的能量控制代价等。现有的规划往往考虑多种代价,并以“权重”的方式协调各种代价之间的相对重[2]要程度。(6)选择规划算法根据前5个步骤对规划问题的分解,在确定规
7、划的整体解决方案后,就需要在众多的规划算法中选择适当的算法进行求解。如果设计人员对搜索问题比较了解,那么可以选择合适的算法来提高搜索效率。下面详细介绍航迹规划的几个关键子问题。2规划空间的构造航迹规划需要首先构造一个C空间(见图2)。C空间实际上就是一种搜索空间,航迹规划就是要在C空间中找到一条满足约束且使目标泛函最大(小)的飞行器航迹函数。当这个航迹函数的自变量只包含三维空间坐标(x,y,z)时,C空间就等价于一个三维空间。当航迹函数自变量为飞行器空间坐标和姿态角时
