基于改进JPS与DWA算法的多无人机路径规划研究

作     者：王圣淳 

作者单位：中国民用航空飞行学院 

学位级别：硕士

导师姓名：程擎

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：无人机路径规划 跳点搜索策略 动态窗口法 无人机避让 

摘      要：目前全球正在迎来一场以无人机物流为代表的运输模式变革,为航空经济注入了巨大的发展动力。随着通航尤其无人机产业链不断生成,我国经济领域或将开创一种不同于传统通航产业的低空经济模式。《国家综合立体交通网规划纲要》与中国民用航空局印发的智慧民航建设路线图中均提到,要构建现代化高质量国家综合立体交通网,推动发展交通运输低空经济,逐步探索无人机物流的商业化服务。 多无人机路径规划技术是无人机物流体系的关键技术之一,具有重要的研究价值。国内外学者针对无人机路径规划问题开展了广泛的研究,提出了智能优化算法、启发式算法、采样算法等路径规划方法。然而,现有研究成果仍存在诸多问题,例如:(1)现有方法多以单无人机的路径规划问题作为研究对象,未考虑实际运行场景下的多无人机协同运行;(2)现有方法多以全局最优路径为主要研究目标,较少地考虑动态障碍物对无人机路径规划的影响;(3)现有的多无人机路径规划算法求解效率较低,同时有陷入局部最优的风险。 针对上述问题,本文面向多无人机运行场景,提出一种高效的无人机路径规划方法,实现规划路径接近最优的同时,能够避免多无人机彼此发生飞行冲突。主要工作如下: (1)考虑了可能会对无人机安全运行造成影响的动态障碍物,建立具有动态威胁的栅格地图环境模型。 (2)优化了JPS算法因扩展方向限制导致的冗余转折点,同时扩展了DWA算法评价函数实现算法的融合。通过实验证明,融合算法能够快速提供全局先验路径并使单无人机具备一定的动态规划能力,且所规划路径接近全局最优。 (3)在融合算法的基础上,引入无人机避让职责机制,避免路径规划过程中无人机因不合理的避让行为导致陷入局部最优。实验结果表明,改进后的多无人机路径规划算法解决了传统算法在处理前方冲突与后方冲突时可能出现的路径规划失败问题;同时相较于传统算法,改进算法在处理右侧与左侧冲突时,规划路径长度分别缩短了26%与6.6%,任务完成时间分别减少了10%与5.8%,验证了改进算法具有一定的优化效果。