多無人機協同偵察路徑規劃研究?

黃 輝 年福耿

（海軍士官學校 蚌埠 233012）

1 引言

紅藍雙方的實兵、實地、實戰的對抗演習，現已成為我軍常態化的練兵活動。在演習的過程中，需要實時掌握紅藍雙方對抗的情勢，擬通過無人機攜帶高分攝像機對演習區域進行實時記錄拍攝。據相關資料可知，無人機為實地拍攝專用，其平均飛行速度60km∕h，飛行轉彎半徑不小于50m，飛行高度不超過海拔2100m，攝像機對地的輻射角度為120°，飛行中與其他地物（山體、地面、樹木、建筑物等）之間的安全距離不小于50m。

2 問題的提出

現已獲知某演習區域的數字高程數據，假設某一時刻有三架無人機同時從邊界（0，30km）處進入該區域，欲完成對該區域的偵察。考慮到戰場實際和飛機性能，三架無人機的飛行路線和各自拍攝區域，需要進行科學合理的規劃，使其完成任務的時間盡可能短、作業時間盡量均衡、且拍攝覆蓋率盡可能高。

3 無人機作業量分配

本文首先利用演習區域高程數據畫出山體的等高線圖，并計算出2000m以下區域的面積，海拔高于2000m的山體，大致分布在三個區域。由于無人機只需對2000m以下區域進行拍攝，且三架飛機作業量盡量均衡，因此本文利用EXCEL計算出2000m以下區域的面積，并對其三等分，每一塊面積376.835km2，由于無人機拍攝過程中探測的面狀區域大多處理為矩形，且飛行過程中一般采用“弓字形”路線［3］，于是本文對分割好的區域進行微調，將拍攝區域內不規則的山體用小矩形區域進行切割，使之符合無人機工作原理。

圖1 區域劃分

調整后計算得出無人機實際需要拍攝的面積1號區域357.635km2，2號區域350.595km2，3號區域339.715km2，比較接近。

4 拍攝區域內路徑規劃

取三個拍攝區域的平均海拔1750m為基準地面高度，無人機飛行高度固定為2100m，攝像機對地幅角120°，利用三角函數和面積公式計算出無人機點狀拍攝面積為0.68km2。

圖2 無人機點狀拍攝工作圖

所以無人機飛行時在地面形成的帶狀拍攝區域幅寬為0.8km。

考慮要保證拍攝區域覆蓋率高，可以使用幅寬為0.8km的帶狀區域覆蓋拍攝區域，同時可對拍攝區域內的路徑進行規劃。由于幅寬為0.8km遠大于50m的轉彎半徑限制，無人機只需在距離區域邊界0.4km處轉彎即可。

圖3 無人機飛行時拍攝的帶狀區域示意圖

圖4 無人機轉彎示意圖

察閱資料可知，無人機飛入面狀目標區域內的切入點的位置因航線條數奇偶性的不同而有兩種情形：當航線條數為偶數時，切入點和退出點在矩形區域的同一條邊上；當航線條數為奇數時，切入點和退出點分別落在矩形區域的一對對邊上［1］。

圖5 面狀區域內無人機航線規劃示意圖

本文以3號區域為例，根據相關數據可計算出3號區域航線條數為奇數，按照“弓字型”飛行，如從左上端切入，那么必然從右下端飛出，由于無人機拐彎時要多花費些時間來切入下一條航線，因此，在面狀目標內部進行航線規劃時，要遵循拐彎次數盡量少的原則。根據這個原則，取矩形較長邊的方向為航線方向，然后再根據航線間隔，在該區域布設航線，見圖6。

圖6 途中無向圖構造示意圖

5 起飛點到拍攝區域的途中最短路徑規劃

由于問題要求三架飛機同時從邊界（0，30km）處進入各自探測區域，其中兩架飛機遠離偵察區域，需要對飛機的途中路徑進行規劃。本文以TSP模型為基礎，進行調整提出適應本文使用的途中最短路徑規劃模型，設wij是(i,j)邊的權值，即i與j之間的距離，則有如下模型：

該模型使用需要構造無向圖，以2號區域為例，在無人機由（0，30km）處（即A點）起飛到2號區域的拍攝途中，選取可能存在的路線轉折點（即2000m等高線上點）作為圖的節點，連接節點，就得到了2號區域的路徑無向圖（見圖7）。

圖7 “1號區域”無人機航線規劃示意圖

再利用Matlab編程可計算出途中路徑規劃結果，結合上一問中的區域內規劃的路徑，如圖8～9所示，可以得到最終三架飛機的偵察路徑。

圖8 “2號區域”內無人機航線規劃示意圖

圖9 “3號區域”內無人機航線規劃示意圖

三架無人機的飛行時間、覆蓋面積、覆蓋率見表1。

表1 三架無人機拍攝規劃總表

由表中數據可見三架無人機作業量、飛行時間、覆蓋率都比較接近，且效率較高。

6 結語

多無人機協同路徑規劃是比較復雜的問題，本文僅從工作量均衡、路徑最優等角度出發對多無人機偵查區域進行劃分從而實現研究目標，整個研究背景較為簡單，與客觀環境復雜程度相比尚有不足，有待后續進一步完善研究。