面向大规模禁飞区多约束条件的二维航迹规划方法

作     者：刘立秋 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马萍

授予年度：2023年

学科分类：11[军事学] 12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 081104[工学-模式识别与智能系统] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0835[工学-软件工程] 1109[军事学-军事装备学] 0811[工学-控制科学与工程] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：飞行器 禁飞区 航迹规划 A*算法 人工势场 

摘      要：从军事战争中飞行器在战场上的侦查、补给、打击应用，到日常生活中利用无人机对无人区的侦查、勘探等等，都离不开飞行器的航迹规划问题。而飞行器在约束条件下点到点的航迹规划问题正是这一系列问题的基础。因此，本文针对面向大规模禁飞区的多约束二维航迹规划方法开展研究。 首先，综述面向大规模禁飞区的多约束二维航迹规划数学模型以及针对二维航迹规划问题常规的求解算法。提出本文针对的大规模禁飞区的描述模型，研究二维航迹规划任务所考虑的约束条件的分类方法，分别对几何约束，加速度约束以及其它约束进行模型化描述。同时给出了飞行器在航迹规划过程中的评价函数模型。针对建立的模型，利用A*算法进行求解设计，给出了包括禁飞区规避，节点扩展，迭代搜索等关键环节的实现方式。结合大规模禁飞区多约束条件下的航迹规划任务的任务特点以及求解方法进行了分析。 其次，以快速性指标作为本航迹规划任务的首要参考，进行了航迹规划算法的设计与实现。结合针对面向大规模禁飞区多约束的二维航迹规划任务和求解算法的分析，提出了基于人工势场的改进 A*算法以及基于改进 A*的双向航迹规划方法。通过针对禁飞区的预处理和人工势场斥力模型的引入，在航迹质量有保证的前提下，极大的提高了航迹规划算法的规划速度。在此基础上，通过对节点扩展步骤效率的深入挖掘与评价函数的修正，提出了基于改进A*的双向航迹规划算法。通过仿真实验对两种算法以及未改进的A*算法进行了对比分析，验证了本文提出的算法的优越性。 再次，以航迹的质量性作为航迹规划任务的首要参考进行了航迹规划算法的设计与实现。针对快速规划算法在地图中搜索深度不足等原因导致的航迹延长的问题，进行了改进和优化。利用采样的方式对扩展过程中产生的子节点区间进行深度搜索。为了快速获得均匀的采样样本，本文针对采样方法进行了优化。综合运用遗传，粒子群以及模拟退火算法对拉丁超立方采样方法进行优化。然后将改进的拉丁超立方算法与航迹规划算法相结合，实现了基于改进拉丁超立方采样的航迹优化方法。并利用仿真实验验证了算法的有效性。 最后，利用VS2015平台完成航迹规划仿真软件的设计与实现。基于仿真软件的需求分析，开发了可以支持多种航迹规划方法仿真验证仿真软件，软件具备二维和三维场景的仿真演示功能。