动态环境下多无人机协同控制技术研究

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近年来,无人机技术无论在军用还是在民用上,都是研究领域的关注热点。随着科学技术的不断发展,无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)技术也获得了不断的发展,但是与此同时,需求的不断增加,战场环境变得越来越复杂,需要执行的任务变得越来越多样,单架无人机的能力有限,已无法独自完成复杂的任务,多无人机协同作业成为了研究人员关注的重点问题。多无人机协同航迹规划是无人机执行任务的基础和前提。如果没有航迹的规划,无人机无法知道如何到达指定地点。航迹规划的目的就是根据各架无人机所被分配的具体任务,为每架无人机规划出从起点到终点的飞行轨迹,对各无人机航迹之间的相互关系协调处理,使最终能够达到整体收益最高、代价最小等目的。在实际的探测、战场等环境中,无人机的飞行环境是极其复杂的,会有各种突发的情况产生,此时就不仅需要在已知的环境下进行无人机系统实施方案的预先规划,还需要对预先规划的方案进行修正或能够快速的给出一个更切合实际的在线实时动态方案。本文的主要工作包括:(1)研究了无人机航迹规划的基础建模。对无人机的物理性能、规划环境进行分析,将问题转化为数学函数的形式表现出来,并分析无人机航迹规划已有的相关理论,进行总结。(2)通过对问题的分析,为了能够快速的给出无人机系统的规划方案,选择采用具备很多良好特性的快速扩展随机树算法进行改进。改进随机扩展点的选择方式、选择概率的值、引入航迹评价启发信息、裁剪冗余的RRT节点,以及对航线路径进行平滑,实现单架无人机的快速路径规划。(3)对于动态环境下单架无人机航迹规划问题,通过引入时间轴的方法将二维搜索空间扩展到三维搜索空间,解决含有动态障碍物环境的航迹规划问题。(4)研究多无人机协同控制技术。对于多无人机时域协同问题,分析时序、时间方面的约束,通过引入“协同系数”的方法对航迹进行整体的综合评价;对于多无人机空域协同问题,将此问题转化为动态环境下的航迹规划问题,即把另一架无人机看作是“动态障碍物”。最终设计完成多无人机多约束协同航迹规划算法。
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