有障礙區(qū)域的多無人機多目標點路徑規(guī)劃分析

天津渤海職業(yè)技術學院人工智能學院 霍 丹

隨著科學技術的發(fā)展，無人機被廣泛用于多個領域，在各行業(yè)中扮演著十分重要的角色，有效的帶動了我國經(jīng)濟的發(fā)展，目前對無人機的應用已經(jīng)成為社會各界學者研究的焦點。通過對有障礙區(qū)域的多無人機多目標點路徑規(guī)劃進行分析，以及對障礙下的無人機路徑優(yōu)化進行探究，希望可以對無人機的應用做出一些貢獻。當前無人機被廣泛用于各個領域，從無人機的發(fā)展前景來看，它將來肯定會成為主要發(fā)展的高新技術之一。因此，對于初入無人機行業(yè)的人員來說，掌握無人機技術和相關的理論已經(jīng)成為非常有必要的一件事，這有助于他們未來的職業(yè)發(fā)展。

1 有障礙區(qū)域的多無人機多目標點路徑規(guī)劃

無人機的應用為多個行業(yè)帶來了全新的發(fā)展路徑，無人機具有非常優(yōu)秀的應用前景，使用過程中具有極低的安全風險系數(shù)，并且運行耗費的資源少，能夠敏捷快速的完成任務，目前我國在軍事和農業(yè)中對無人機的運用最為廣泛。在無人機運動時，如何進行路徑規(guī)劃是無人機應用的核心內容，一般情況下，無人機的路徑規(guī)劃是在達到地點的同時最大化的減少資源和時間的使用。在有障礙物的情況下，無人機通過模擬人類躲避障礙的行為完成向目標點的運動，而對于存在多個目標點的情況，人們將其轉化為旅行商問題進行探究，提出了一種基于自組織映射網(wǎng)絡的算法，可是當多個目標點和障礙同時存在，無人機的飛行往往不能按照所規(guī)劃的路徑完成，因此有障礙區(qū)域的多無人機多目標點路徑規(guī)劃開始被人們大量研究，本文也是對其進行了簡單的探索。在這當中，想要讓無人機完成既定的目標，難點主要體現(xiàn)在兩個方面：第一個方面為如何得到無人機對多個目標點的訪問順序和各目標點之間存在的航向角，從而獲得無人機的正確運行路徑；第二個方面為如何處理多目標所產生的復雜路徑和障礙對無人機運動路徑的約束。本文通過建立無人機模型，然后在研究中使用了遺傳算法和Dubins-RRT算法輔助研究。

2 無人機模型的建立

2.1 Dubins模型

在進行無人機模型建立的過程中，采用了Dubins模型完成，這樣可以讓無人機路徑的規(guī)劃的正確性，并與對無人機運動路徑的控制，極好的滿足了無人機所客觀存在的曲率約束。用于建立Dubins模型的公式如下所示：

在上述所示的公式當中，xA所表示的意思為無人機在坐標系下的橫坐標，而yA則是表示的意思為無人機在坐標系下的縱坐標，θA所表示的意思為無人機的轉向角，vA所表示的意思為無人機的運動速度。在這Dubins模型當中可知，無人機多目標點路徑規(guī)劃時，需要考慮的物理量十分復雜，想要完成有障礙區(qū)域的多無人機多目標點路徑規(guī)劃是一項相當復雜的任務，研究過程中需要無比的細心和認真。

2.2 Dubins 路徑

所謂的Dubins 路徑指的是無人機在尚未運行的初始狀態(tài)到飛行到達目標地點過程中的最短路徑，國內外有大量的文獻對其進行了敘述，當給無人機給定任意的初始狀態(tài)和目標地點的Dubins狀態(tài)后，這時無人機的路徑存在六種最短的路徑，分別是RSR、LRL、LSL、RLR、LSR、RSL（R所代表的意義是右轉、L所代表的意義是左轉、S所代表的意義是直線飛行），想要得到Dubins 路徑的狀態(tài)，就需要對上述的六種種類的長度進行計算，計算得到的最短路徑就是無人機的Dubins 路徑。

3 有障礙區(qū)域的多無人機多目標點路徑規(guī)劃分析

3.1 無人機路徑規(guī)劃問題

在無人機飛行的控制中心有K輛無人機執(zhí)行飛行任務，所需要達到的目標點為N個，在進行合理的路徑安排后，無人機帶著所需裝載的貨物開始從控制中心飛行而出，在最大化的減少飛行成本的前提下，完成飛行任務后無人機再次回到控制中心。在無人機飛行的過程中，因為飛行環(huán)境的勻速，無人機可能會遇到障礙，導致無人機不能從障礙區(qū)域飛過，在進行路徑規(guī)劃過程中，需要避開這些不能正常飛過的區(qū)域。在進行分析的過程中，將無人機的控制中心默認為一個，并且所有的無人機的飛行起點全部在控制中心的同位置點，在完成飛行任務后回到控制中心的同位置點，同時每輛無人機的所裝載的貨物相同，所存在的障礙區(qū)域屬于靜態(tài)不會發(fā)生改變。

3.2 對路徑規(guī)劃問題的優(yōu)化方法

無人機路徑規(guī)劃過程中，受到多個約束條件的限制，問題十分的復雜，并且當中所存在的變量并不規(guī)則，存在數(shù)學意義中的離散性，同時無人機Dubins 路徑并不單一，大多數(shù)情況下都存在組合性，因此想要對無人機路徑規(guī)劃進行優(yōu)化，傳統(tǒng)的優(yōu)化算法不便于用來優(yōu)化該問題，所以在眾多優(yōu)化算法當中，遺傳算法十分適用用來作為優(yōu)化算法。遺傳算法具有優(yōu)秀的自學習性，同時還具備強大的并行搜索能力，在研究分析當中，適用遺傳算法得到優(yōu)化的無人機飛行路徑，同時能對在所得到的優(yōu)化路徑存在的靜態(tài)障礙進行檢測，當障礙約束不被滿足，則是通過Dubins-RRT進行調節(jié)，達到滿足約束的目的。

3.3 障礙區(qū)域檢測方法

在進行障礙區(qū)域檢測研究分析的過程中，為了分析更加的清晰明了，對于只存在兩個狀態(tài)得到的路徑，將這種情況定義為基本Dubins路徑，而對于超過兩個狀態(tài)所得到的路徑，請其定義為復合Dubins路徑，這樣有助于對障礙區(qū)域進行檢測，檢測中存在的變量的復雜度極大的降低，進而降低了檢測的難度，這是因為經(jīng)過這樣的設置，在進行檢測時，只需要對每個基本Dubins路徑進行檢測，而且由于基本Dubins路徑只存在兩個狀態(tài)，所以它都是由線段和弧組成，檢測時對每條線路和弧進行檢測就行。

在對線段進行檢測時，線段所在的直線經(jīng)過的區(qū)域和已知的障礙區(qū)域是否存在交點，這是首先需要進行判斷的點，如果存在交點，那么就需要進一步進行判斷，看交點是否存在線段之中。在對弧進行檢測時，首先是需要將弧所在的圓補全，然后對圓所占據(jù)的區(qū)域是否同已知的障礙區(qū)域存在交匯。

3.4 無人機路徑規(guī)劃調優(yōu)方法

在得到無人機飛行路徑的每一段基本Dubins路徑后，進行了障礙區(qū)域的檢測，這樣就可以對無人機飛行路進行重新規(guī)劃，這樣就可以得到無人機可正常安全飛行的路徑，這是無人機路徑規(guī)劃調優(yōu)的基本原理。人們在進行無人機路徑規(guī)劃調優(yōu)的過程中，通常所用的算法為RRT算法，全稱為Dubins-RRT算法，這是一種速度較快的路徑規(guī)劃算法，可以在更短的時間內得到無人機可以飛行的空間，也就是無人機飛行路徑不會同已知的障礙區(qū)域存在交點。

4 有障礙區(qū)域的多無人機多目標點路徑規(guī)劃仿真案例

為了對有障礙區(qū)域的多無人機多目標點路徑規(guī)劃進一步的進行分析研究，進行了仿真案例，在這次仿真案例當中，無人機控制中心和裝載的貨物已經(jīng)給定，并且給無人機所制定的分析目標點為25個，仿真所得到的結果如圖1所示。

圖1 無人機飛行路徑

在圖1當中，線條所代表的是無人機的飛行路徑，黑色圓所代表的是多個已經(jīng)存在的障礙區(qū)域。

總結：我國的軍事和農業(yè)領域對無人機已經(jīng)進行了大范圍的運用，因為軍事和農業(yè)領域客觀存在的特性，使得無人機飛行的環(huán)境十分復雜，并且通常需要多輛無人機執(zhí)行任務，還同時存在著多個目標點，因此對有障礙區(qū)域的多無人機多目標點路徑規(guī)劃進行分析研究十分重要，對我國的經(jīng)濟軍事實力發(fā)展都有積極的意義。