無人機航跡規(guī)劃仿真模擬研究

王從俠 韓啟超

【摘 要】首先介紹無人機航跡規(guī)劃的研究方法，基于無人機的飛行性能特性、可能遇到的敵方威脅及高精度數(shù)字地圖等相結(jié)合建立模擬地形的等高線圖。根據(jù)無人機的任務(wù)分配、任務(wù)載荷要求、航跡規(guī)劃過程中可能遇到的高度約束、轉(zhuǎn)彎角約束、時間約束、威脅約束、爬升角約束、最小步長約束等各種約束，選擇時間代價、性能代價最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)，采用A*算法對無人機從起始點到目標(biāo)點的航線進(jìn)行綜合規(guī)劃，得到全局范圍內(nèi)最優(yōu)的參考飛行航線。仿真結(jié)果表明該方法能夠滿足無人機航跡規(guī)劃的任務(wù)要求。

【關(guān)鍵詞】無人機；航跡規(guī)劃；目標(biāo)函數(shù)；規(guī)劃時間；A*算法

中圖法分類號 V211.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0001-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.001

【Abstract】The UAV route planning research method was firstly introduced.Based on the UAV flight performance characteristics，the enemy threat and high precision digital maps， the terrain contour simulation maps were established. According to the requirements of the UAV task allocation，task load，the height constraints，the time constraints，the threats constraints，the climbing angle constraints，the minimum step length，Choosed the time and performance cost objective function，based on the A* algorithm，the global optimal flight path from the starting point to the target point.The simulation results shown that the method could satisfy the UAV route planning requirement.

【Key words】UAV；Route planning；Objective function；Planning time；A* algorithm

0 引言

航跡規(guī)劃是根據(jù)任務(wù)目標(biāo)規(guī)劃滿足約束條件的飛行軌跡，是無人飛行平臺任務(wù)規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)之一；航跡規(guī)劃也是無人機未來作戰(zhàn)的重要技術(shù)，其受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。無人機實際飛行中如果實時定位出突發(fā)威脅目標(biāo)（如防空導(dǎo)彈、掃描雷達(dá)等）位置情況，必須進(jìn)行航跡規(guī)劃。

無人機航跡規(guī)劃是指在綜合考慮無人機任務(wù)要求、機動性能、安全突防和飛行時間等各種約束因素下，尋找一條從起始點到目標(biāo)點的最優(yōu)或可行的飛行軌跡。

無人機航跡規(guī)劃的主要流程是：搜集任務(wù)區(qū)域的情報、準(zhǔn)備數(shù)字地圖和敵方威脅信息，并對數(shù)字地圖各點由威脅產(chǎn)生的危險程度進(jìn)行量化處理，然后采用有效的航線優(yōu)化技術(shù)對從起始點到目標(biāo)點的飛行航線進(jìn)行規(guī)劃，得到全局最優(yōu)的參考飛行航線，根據(jù)目標(biāo)位置的變化實時更新航跡完成任務(wù)飛行。

無人機航跡規(guī)劃在地面準(zhǔn)備階段，需要搜集任務(wù)區(qū)域的情報、準(zhǔn)備數(shù)字地圖和敵方威脅信息，并對數(shù)字地圖各點由威脅產(chǎn)生的危險程度進(jìn)行量化處理，然后采用有效的航線優(yōu)化技術(shù)對從起始點到目標(biāo)點的飛行航線進(jìn)行規(guī)劃，得到全局最優(yōu)的參考飛行航線。

針對無人機航跡規(guī)劃的任務(wù)要求和特點，對離線事前航跡規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，采用建立航跡規(guī)劃數(shù)據(jù)庫，將提前構(gòu)成生產(chǎn)的連通圖保存到航跡數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)行航跡規(guī)劃時，可直接從航跡數(shù)據(jù)庫中提取航跡片元連通圖生成軌跡，可大大縮短航跡規(guī)劃的時間。

1 無人機航跡規(guī)劃

分析搜集任務(wù)區(qū)域的情報、準(zhǔn)備數(shù)字地圖和敵方威脅信息，并對數(shù)字地圖各點由威脅產(chǎn)生的危險程

航跡規(guī)劃的流程圖如圖1所示，通常無人機航跡規(guī)劃分為以下幾步來實現(xiàn)：

（1）建立高精度的數(shù)字地圖和數(shù)字地圖的預(yù)處理。即分析搜集無人機任務(wù)區(qū)域范圍的情報、準(zhǔn)備數(shù)字地圖和可能的敵方威脅信息，并對數(shù)字地圖各點由威脅產(chǎn)生的威脅程度進(jìn)行量化處理，建立模擬地形的等高線圖；

（2）無人機飛行能力的準(zhǔn)備。無人機在航跡規(guī)劃的過程中會遇到最小步長約束、最小飛行高度約束、最大航程約束、最大轉(zhuǎn)彎角約束、最大爬升角約束等，因此需要考慮無人機飛行性能約束的前提下，得到滿足各種威脅及消耗綜合代價最優(yōu)的飛行航跡；

需要考慮無人機飛行性能的約束限制。

（3）無人機任務(wù)載荷和指標(biāo)的準(zhǔn)備。主要包括無人機任務(wù)的分配，根據(jù)無人機所搭載的任務(wù)載荷的不同，分配不同的任務(wù)指標(biāo)；

（4）算法對比仿真研究，選擇時間代價、性能代價最優(yōu)的無人機航跡規(guī)劃算法；

（5）輸出無人機的飛行航跡路徑。即采用有效地航線優(yōu)化技術(shù)對無人機從起始點到目標(biāo)點的飛行航線進(jìn)行綜合規(guī)劃，得到全局范圍內(nèi)最優(yōu)的參考飛行航線。

2 模型建立

2.1 約束條件

無人機航跡規(guī)劃的目的是要找到從起始點到目標(biāo)點范圍內(nèi)的最優(yōu)參考飛行航線。其目的是要優(yōu)化一體能夠保證無人機飛行安全的最優(yōu)飛行軌跡，既要減小被敵方防空武器攻擊的可能，也要時間代價最小，同時飛行過程總還會遇到各種不同的約束限制。

無人機航跡規(guī)劃時需要考慮的約束條件包括：最小步長約束、最小轉(zhuǎn)彎半徑約束、最大爬升角、最大航跡長度、最大節(jié)點數(shù)和最小飛行高度等約束條件。

2.2 算法選擇

將數(shù)字地圖與航跡規(guī)劃算法融合實現(xiàn)傳感器無人機離線航跡規(guī)劃功能。由于航跡規(guī)劃算法（Voronoi圖法、遺傳算法、A*算法等）各有利弊，A*算法能夠很好地將傳感器無人機的最小航段距離和最大轉(zhuǎn)彎角等約束融合到搜索過程中，可以縮小搜索范圍，從而大幅度提高航跡規(guī)劃的速度。

A* 算法主要是先確定代價函數(shù)，然后優(yōu)化尋找最優(yōu)的航跡路徑，A*算法的主要思路是計算區(qū)域范圍內(nèi)的每一個可能網(wǎng)格單元的代價函數(shù)，再將總體代價最小的單元加入到搜索空間中，因此A*算法的一般估價函數(shù)由兩部分構(gòu)成，

3 仿真分析

無人機航跡規(guī)劃時需要將無人機的各種約束限制加入到A*算法中，因此采用本文的無人機航路規(guī)劃思路，仿真平臺如下表1所示。

圖2為根據(jù)無人機航跡規(guī)劃環(huán)境，模擬出的地形等高線圖。

圖3為權(quán)重w1=0.001，w2=300，w3=0.1時，按照A*算法模擬的無人機航跡規(guī)劃仿真圖，仿真結(jié)果表明，總概率密度最低值fmin=0.001；規(guī)劃時間T=162.755342s，路徑長度l=592.1844，總威脅概率值為0.0895。

圖4為權(quán)重w1=0.001，w2=100，w3=0.1時，按照A*算法模擬的無人機航跡規(guī)劃仿真圖，仿真結(jié)果表明，總概率密度最低值fmin=0.001；規(guī)劃時間T=132.104953s，路徑長度l=582.8269，總威脅概率值為0.2169。

圖5為權(quán)重w1=0.005，w2=300，w3=0.1時，按照A*算法模擬的無人機航跡規(guī)劃仿真圖，仿真結(jié)果表明，總概率密度最低值fmin=0.001；規(guī)劃時間T=155.554166s，路徑長度l=598.768，總威脅概率值為0.08。

圖6為權(quán)重w1=0.005，w2=300，w3=0.5時，按照A*算法模擬的無人機航跡規(guī)劃仿真圖，仿真結(jié)果表明，總概率密度最低值fmin=0.001；規(guī)劃時間T=5.694579s，路徑長度l=550.1421，總威脅概率值為0.2356。

圖7為權(quán)重w1=0.005，w2=300，w3=0.05時，按照A*算法模擬的無人機航跡規(guī)劃仿真圖，仿真結(jié)果表明，總概率密度最低值fmin=0.006；規(guī)劃時間T=14.471906s，路徑長度l=550.9683，總威脅概率值為0.2333。

表2是不同權(quán)重狀態(tài)下的無人機航跡規(guī)劃結(jié)果對比。從表中可以看出，航跡規(guī)劃時間與權(quán)重的選取關(guān)系密切。

4 結(jié)論

本文介紹了無人機航跡規(guī)劃的研究方法與思路，并采用A*算法對無人機航跡進(jìn)行了仿真模型，研究表明A*算法能夠滿足無人機航跡規(guī)劃的要求，且效率比較高；同時不同權(quán)重下無人機的航跡路徑有較大的差異。

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