無人飛行器航跡規(guī)劃

前言

無人飛行器（Unmanned Aerial Vehicles）是指在大氣層內或大氣層外空間（太空）飛行的無人機、無人飛艇、導彈等飛行物。與有人駕駛或者遙控飛行器不同，無人飛行器具有自動起降（發(fā)射）、自動駕駛、自動導航、自動快速準確定位、自動信息采集與傳送等多項功能，特別適合代替人在危險、惡劣和極限的環(huán)境下完成特定的工作和任務，因此在軍事、測繪、航空航天、商業(yè)等領域有著廣泛應用。無人飛行器在完成任務過程中，需要對如何有效、安全地完成自己的任務過程進行規(guī)劃，這就是所謂的任務規(guī)劃（Mission Planning）。在任務規(guī)劃過程中，最重要、也是最復雜的就是為無人飛行器規(guī)劃出一條完成飛行任務所需要的飛行航跡，即無人飛行器航跡規(guī)劃（Route Planning for Unmanned Aerial Vehicles）。在無人飛行器，特別是導彈，如巡航導彈的航跡規(guī)劃過程中，不僅需要考慮發(fā)射區(qū)、目標區(qū)的各種信息，對于飛行器途中飛過的區(qū)域也要滿足一定的條件限制。這些限制不僅包括威脅區(qū)、禁飛區(qū)、障礙區(qū)等地理與作戰(zhàn)信息，還必須包括飛行器自身的各種飛行限制性條件，比如匹配區(qū)、導航點、最小轉彎半徑和最低飛行高度等。對于導彈而言，在實際使用過程中，為了達到特定的目的，如為了達到突防和飽和攻擊的目的，還必須考慮多航跡規(guī)劃、協(xié)調航跡規(guī)劃等問題，以最大限度地發(fā)揮無人飛行器的功效。本書是作者1995年以來從事無人飛行器航跡規(guī)劃研究工作的總結。雖然，一部分研究是針對無人機展開的，但大多數假定的研究對象都是導彈，特別是能夠貼地巡航飛行的巡航導彈。因此，除非特別說明，在本書中所指無人飛行器主要是指導彈，特別是巡航導彈。按照航跡規(guī)劃理論的發(fā)展歷程，本書主要分為離線航跡規(guī)劃、在線協(xié)調航跡規(guī)劃、多航跡規(guī)劃等部分。第1章緒論，在對國內外主要航跡規(guī)劃方法綜述基礎上，重點討論了已有這些方法在實際使用過程中所存在的主要問題；在航跡規(guī)劃過程中，一個首先必須解決的問題就是航跡規(guī)劃問題的理論建模，包括規(guī)劃空間的定義，約束條件的表達，航跡代價的計算等，是第2章的主要內容；第3章分別介紹了三種離線航跡規(guī)劃方法，包括稀疏A*算法，基于飛行路線圖的自適應航跡規(guī)劃方法以及基于進化計算的航跡規(guī)劃方法；為了滿足實際應用過程的需要，第4章和第5章討論了在線航跡規(guī)劃和協(xié)調航跡規(guī)劃問題，特別研究了針對運動目標的基于進化計算的航跡規(guī)劃算法；第6章針對多飛行器所涉及的任務分配問題討論了基于對稱群的混合搜索策略和基于進化計算的任務分配算法。第7章，以美國戰(zhàn)斧式巡航導彈為例，介紹了美國巡航導彈的發(fā)展過程以及航跡規(guī)劃系統(tǒng)的演變歷程，為今后開展我國自行開發(fā)導彈航跡規(guī)劃系統(tǒng)提供參考和借鑒。書中包含了在1995年至2008年期間在華中科技大學圖像識別與人工智能研究所的十多名博士、碩士研究生的工作，對于他們所做出的貢獻表示感謝!由于作者水平的限制，書中難免存在一些問題和不足，歡迎讀者批評指正！

內容概要

飛行器航跡規(guī)劃是實現飛行器自動導航的一項關鍵技術，是人工智能及導航與制導領域中的重要研究方向之一。本書結合作者的研究工作，系統(tǒng)、深入地介紹了無人飛行器航跡規(guī)劃的概念、理論及方法。主要內容包括航跡規(guī)劃建模、飛行器離線航跡規(guī)劃、飛行器在線航跡規(guī)劃、多飛行器協(xié)調航跡規(guī)劃、航跡規(guī)劃中的地形/景象匹配以及采用GPS導航的規(guī)劃方法等多個方面。適合于航跡規(guī)劃領域的科研工作者和工程技術人員作為參考資料，也適合于人工智能及導航與制導相關專業(yè)的碩士、博士研究生作業(yè)參考書。

書籍目錄

第1章 緒論  1.1 航跡規(guī)劃研究的背景和意義  1.2 無人飛行器航跡規(guī)劃綜述    1.2.1 無人飛行器航跡規(guī)劃問題    1.2.2 常用的航跡規(guī)劃方法    1.2.3 傳統(tǒng)航跡規(guī)劃算法存在的問題  1.3 本書的主要內容和安排第2章 無人飛行器航跡規(guī)劃建模  2.1 規(guī)劃空間表示方法  2.2 飛行航跡的表示方法  2.3 航跡代價    2.3.1 代價函數的選取    2.3.2 權系數的確定  2.4 巡航導彈航跡規(guī)劃模型    2.4.1 巡航導彈簡介    2.4.2 航跡規(guī)劃模型    2.4.3 航跡的表示    2.4.4 航跡的約束條件    2.4.5 航跡評價  2.5 本章小結第3章 離線航跡規(guī)劃方法  3.1 稀疏A搜索算法    3.1.1 航跡節(jié)點的擴展    3.1.2 算法描述    3.1.3 實驗結果分析  3.2 基于飛行路線圖的自適應航跡規(guī)劃    3.2.1 隨機路線圖方法    3.2.2 基于PRM方法的飛行路線圖    3.2.3 航跡再規(guī)劃原理    3.2.4 威脅/任務自適應航跡規(guī)劃方法    3.2.5 仿真結果與分析  3.3 基于進化計算的航跡規(guī)劃方法    3.3.1 進化計算    3.3.2 基于進化計算的航跡規(guī)劃方法——ERP    3.3.3 實驗結果分析  3.4 本章小結第4章 在線航跡規(guī)劃方法  4.1 無人飛行器在線實時航跡規(guī)劃方法    4.1.1 節(jié)點的擴展與啟發(fā)式信息    4.1.2 算法描述    4.1.3 算法收斂性證明    4.1.4 算法改進    4.1.5 模擬實驗結果  4.2 針對運動目標的飛行器在線航跡搜索算法    4.2.1 節(jié)點的擴展與啟發(fā)式信息    4.2.2 算法描述    4.2.3 收斂性分析    4.2.4 算法改進    4.2.5 實驗結果分析  4.3 基于可行優(yōu)先準則的實時航跡規(guī)劃方法    4.3.1 問題描述    4.3.2 引導點集  ……第5章 無人飛行器多航跡規(guī)劃方法與協(xié)同航跡規(guī)劃第6章 多飛行器任務分配第7章 戰(zhàn)斧式巡航導彈及其航跡規(guī)劃系統(tǒng)參考文獻

章節(jié)摘錄

第1章 緒論1.1 航跡規(guī)劃研究的背景和意義隨著計算機、自動化、信息技術的發(fā)展，現代飛行器技術發(fā)生了巨大的變化。飛行器的種類越來越多，性能越來越高，技術密集、結構復雜、協(xié)同性強，使飛行器的操縱越來越復雜。同時，隨著現代飛行任務的難度、危險度，以及強度的不斷增加，受飛行員生理和心理等因素的限制，單純依靠飛行員手工操作完成復雜的飛行任務變得越來越困難。例如，在地形跟隨過程中，視覺效應會使飛行員精神高度緊張，對速度的控制容易誘發(fā)長周期振蕩。為解決這些問題，一種有效的解決途徑就是采用航跡規(guī)劃（Route Planning）技術。作為任務規(guī)劃系統(tǒng)（Mission Planning System）的核心之一，航跡規(guī)劃是一門伴隨現代信息技術而發(fā)展起來的高新技術。它己被廣泛應用于飛行器、水面艦艇、地面車輛及機器人等的導航系統(tǒng)中。對艦艇、自主戰(zhàn)車、機器人等應用來說，一般稱為路徑規(guī)劃[1-5]。本書主要研究巡航導彈等無人飛行器中的航跡規(guī)劃問題。準確地說，無人飛行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）航跡規(guī)劃就是在綜合考慮UAV到達時問、燃料消耗、威脅以及飛行區(qū)域等因素的前提下，為飛行器規(guī)劃出一條最優(yōu)，或者是最滿意的飛行航跡，以保證圓滿完成飛行任務。在現代戰(zhàn)爭中，隨著防空系統(tǒng)性能的日益提高，飛行器安全突防是實現精確打擊的關鍵。任務規(guī)劃系統(tǒng)作為精確制導武器必不可少的支持工具，是提高武器系統(tǒng)實際作戰(zhàn)效能的關鍵技術之一，因而備受世界各國的關注。

編輯推薦

《無人飛行器航跡規(guī)劃》適合于航跡規(guī)劃領域的科研工作者和工程技術人員作為參考資料，也適合于人工智能及導航與制導相關專業(yè)的碩士、博士研究生作業(yè)參考書。

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