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多飞行器协同航迹规划算法研究

多飞行器协同航迹规划算法研究

作者：毛云云哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

航迹规划是一项实现无人飞行器自动导航的关键技术。在现代战争中,作战环境日益复杂,各种防空系统的性能日益提高,要实施对作战目标的有效打击,依靠一架飞行器单独执行并成功完成任务的概率越来越小。一方面,单架飞行器的攻击力有限;另... 详细信息

航迹规划是一项实现无人飞行器自动导航的关键技术。在现代战争中,作战环境日益复杂,各种防空系统的性能日益提高,要实施对作战目标的有效打击,依靠一架飞行器单独执行并成功完成任务的概率越来越小。一方面,单架飞行器的攻击力有限;另一方面,单架飞行器被摧毁会造成整个任务的失败。所以,通过多个飞行器协同攻击目标是未来无人飞行器作战的必然选择。目前,国内外对单航迹规划的研究已经比较成熟,多航迹协同规划方面的研究则相对较少。现有的航迹规划方法有基于路径搜索的方法、基于进化计算的方法,以及数学优化方法,等等。这些方法在实际应用中存在着组合爆炸或算法收敛时间不确定的问题。由于飞行器种类众多,不同类型的飞行器,其机动性能和任务需求有着很大的区别,对飞行航迹的要求不同,所以本文将主要针对巡航导弹这一类型的飞行器的多航迹协同规划算法进行研究。本文首先对多航迹规划问题进行建模,分别从规划空间、航迹表示、约束条件和航迹代价四个方面进行了研究。其次,研究了多目标分配的方法,设计了一种通过建立攻击评估矩阵将目标分配问题转化成最小权二分匹配问题的方法。然后,研究了三维环境下使用稀疏A*算法进行单航迹规划的方法,设计了基于航迹长度和威胁值大小的航迹代价计算函数,并在不同的地形环境下分别进行了实验仿真。最后,为解决多航迹规划中的避撞与协同问题,提出一种三维环境下的多航迹协同规划方法。该方法设计了一种规划框架,分别在航迹搜索前与搜索过程中考虑多航迹的协同问题。在航迹搜索过程中,不但结合单条航迹原有的约束条件,同时还进行了航迹间的碰撞检测,并且通过航迹的协同违背量等因素来进行启发式搜索。实验结果表明,该方法可以有效处理各类约束条件,简化启发因子,从而获得更好的规划性能。

关键词：航迹规划多飞行器稀疏A* 协同避撞

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基于协同裕度的多飞行器航迹规划

航天控制 2013年第2期31卷 56-61页

作者：汲万峰王光源章尧卿李伟波海军航空工程学院烟台264001

针对传统多飞行器协同航迹规划适应环境变化的能力较弱的缺陷,提出了多飞行器协同裕度的概念,建立了航迹规划的协同裕度模型,研究了基于协同裕度的多飞行器协同航迹规划方法,提高了编队协同能力,仿真结果验证了改进方法的有效性。

关键词：多飞行器协同航迹规划协同裕度

基于协同进化的复杂低空下多飞行器协同航迹规划方法

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南京航空航天大学学报 2017年第S1期49卷 89-95页

作者：管祥民吕人力中国民航管理干部学院通用航空系北京100102

由于低空空域环境复杂,威胁通用航空器运行安全。复杂低空多飞行器航迹规划方法是保障安全、提高效率的关键技术。在特定空域范围内,依据地形特点、环境威胁以及飞行器自身物理条件等约束和安全效率等性能指标,为飞行器规划出最优航迹... 详细信息

由于低空空域环境复杂,威胁通用航空器运行安全。复杂低空多飞行器航迹规划方法是保障安全、提高效率的关键技术。在特定空域范围内,依据地形特点、环境威胁以及飞行器自身物理条件等约束和安全效率等性能指标,为飞行器规划出最优航迹。然而,多飞行器的航迹规划问题存在多约束、强耦合、多目标等难点,现有方法缺乏对问题先验知识的挖掘和利用,导致难以兼顾安全与效率。针对多飞行器航迹规划问题,建立了多飞行器航迹优化多目标模型。为了进一步提升优化效率,基于启发式算子的自适应差分多目标进化算法,引入多种群协同进化,每个飞行器通过不同种群独立进化,建立合作机制提升种群进化质量,避免陷入极值。最后通过二维与三维仿真实验验证了算法的可行性和有效性。

关键词：复杂低空多飞行器多目标进化算法路径规划

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一种多飞行器协同航迹规划的新方法

控制工程 2013年第3期20卷 419-422,430页

作者：汲万峰王光源孙钧正赵明海军航空工程学院烟台264001

在综合考虑飞行器编队的飞行代价和作战效果的基础上,提出了一种多飞行器协同航迹规划的新思路,将飞行器编队的协同航迹规划与任务分配结合起来考虑,研究基于任务分配的多飞行器协同航迹规划方法。对传统的飞行器航迹规划模型加以改进,... 详细信息

在综合考虑飞行器编队的飞行代价和作战效果的基础上,提出了一种多飞行器协同航迹规划的新思路,将飞行器编队的协同航迹规划与任务分配结合起来考虑,研究基于任务分配的多飞行器协同航迹规划方法。对传统的飞行器航迹规划模型加以改进,重新建立了结合任务分配的飞行器编队协同航迹规划模型。运用遗传算法对构建的航迹规划模型进行仿真验证,结果表明,基于任务分配的飞行器编队协同航迹规划方法,不仅能保证各飞行器选择合理的协同航迹,也使得作战任务可以获得最佳作战效果,有效的提高编队作战的效费比。

关键词：多飞行器协同航迹规划任务分配

基于Multi-Agent系统的多飞行器协同路径规划方法的研究

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计算机科学 2012年第1期39卷 219-222,233页

作者：刘铭徐杨陈峥梁瀚孙婷婷电子科技大学计算机科学与工程学院成都611731

无人多飞行器(UAV)协同技术是当前分布式人工智能的一个热点领域,其中一个关键技术在于如何实现多UAV集群根据复杂环境中目标、威胁、地形变化以及各UAV之间的性能约束动态进行实时性航路规划。提出一种基于Multi-agent系统的多UAV对实... 详细信息

无人多飞行器(UAV)协同技术是当前分布式人工智能的一个热点领域,其中一个关键技术在于如何实现多UAV集群根据复杂环境中目标、威胁、地形变化以及各UAV之间的性能约束动态进行实时性航路规划。提出一种基于Multi-agent系统的多UAV对实时动态多目标进行路径规划的方法。其核心是基于Multi-agent系统的decen-tralized控制方案。在Multi-agent平台上,实现了agent对于环境、目标、任务等路劲规划约束条件的建模,同时提出了多agent动态路径规划方法的实现方案。方案使用DisCSP模型框架,将基于真实复杂战场环境的实时路径规划问题所涉及的多复杂限制条件,抽象成Multi-agent系统中的各个约束条件,通过多agent间Dynamic Programming过程求解多UAV实时动态多目标的路径规划和协同任务分配的ABT算法,并实现在动态威胁和地形以及动态目标下具备集群协同能力的多UAV实时仿真系统。

关键词：多飞行器多智能体系统分布式约束满足动态规划

“多飞行器智能协同制导与控制技术”专栏介绍

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战术导弹技术 2022年第4期 F0003-F0003页

专栏情况为探讨飞行器协同制导与控制技术领域中的新理论、新方法及其在协同作战应用中的新技术,《战术导弹技术》编辑部特邀请北京机电工程研究所池庆玺研究员、哈尔滨工业大学韦常柱教授担任专栏主编,推出“多飞行器智能协同制导与控... 详细信息

专栏情况为探讨飞行器协同制导与控制技术领域中的新理论、新方法及其在协同作战应用中的新技术,《战术导弹技术》编辑部特邀请北京机电工程研究所池庆玺研究员、哈尔滨工业大学韦常柱教授担任专栏主编,推出“多飞行器智能协同制导与控制技术”专栏。此次专栏征稿得到了业内专家学者的积极响应,经专家评审,共收录论文18篇。

关键词：制导与控制多飞行器协同作战机电工程智能协同专栏介绍专家评审哈尔滨工业大学

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无导引信息的多飞行器协同制导方法

战术导弹技术 2021年第5期 82-86页

作者：王燕燕袁健全储焰苗郝明瑞赵佳佳复杂系统控制与智能协同技术实验室北京100074 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100083 火箭军装备部装备项目管理中心北京100085

针对无导引信息飞行器精确制导问题,简述了无导引信息的多飞行器协同制导方法国内外研究成果,分析了各类无导引信息飞行器制导方法的区别及其应用场景。依据飞行器是否需外部制导指令,将现有制导方法分为外部制导方法和基于协同的制导... 详细信息

针对无导引信息飞行器精确制导问题,简述了无导引信息的多飞行器协同制导方法国内外研究成果,分析了各类无导引信息飞行器制导方法的区别及其应用场景。依据飞行器是否需外部制导指令,将现有制导方法分为外部制导方法和基于协同的制导方法。按照制导策略是否考虑定位误差,又将基于协同的制导方法划分为无定位误差的协同制导和考虑定位误差的协同制导。结合经典研究应用,分析、总结了现有无导引信息飞行器制导方法的优缺点,并对该领域未来在工程应用进行了展望。

关键词：多飞行器协同制导律无导引信息定位误差

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高超声速多飞行器编队协同动力学研究

高超声速多飞行器编队协同动力学研究

作者：许强强国防科学技术大学

学位级别：硕士

未来战争环境日益复杂,一体化进程快速推进,多个飞行器组成不同编队进行协同作战必将成为未来新型作战样式。本文针对“察-打-评-毁”体系化作战需求,以高超声速助推-滑翔飞行器为研究对象,以解决多飞行器轨迹协同规划与协同控制策略为... 详细信息

未来战争环境日益复杂,一体化进程快速推进,多个飞行器组成不同编队进行协同作战必将成为未来新型作战样式。本文针对“察-打-评-毁”体系化作战需求,以高超声速助推-滑翔飞行器为研究对象,以解决多飞行器轨迹协同规划与协同控制策略为目标开展研究。主要研究成果如下:第一,建立了多种约束条件下,飞行器全弹道优化模型。给出了轨迹优化所采用的控制变量、过程约束模型、优化方法以及求解策略。在优化问题模型的基础上,基于hp-自适应Radau伪谱法进行了全弹道优化仿真验证,得到了多约束条件下全弹道优化结果。同时,将分段优化得到的全弹道与本文提出的整段优化结果进行了对比研究,进一步说明了本文方法的优越性,为工程上全弹道一体化优化与设计提供了新的研究思路。第二,提出了多飞行器滑翔段轨迹在线生成与协同规划方法。首先研究了飞行器再入轨迹在线生成与跟踪制导的关键技术,基于高度-速度(H-V)剖面在线生成再入轨迹,并利用反馈线性化跟踪制导的方法,来给出弹道跟踪控制规律;其次,以时间协同为目标,设计协同规划算法生成飞行轨迹,保证多飞行器同时到达目标区域;最后进行了不同方案仿真验证。第三,设计了多飞行器下压段协同控制策略。多飞行器经过滑翔段轨迹在线生成与协同规划到达目标区域后,采用末制导协同控制策略打击目标。基于带有落角约束的最优导引律,实现攻击角度协同,设计多批次协同打击策略,最大限度提高综合作战效能。本文的工作主要集中于多约束条件下单个飞行器的全弹道优化、多飞行器轨迹协同规划与协同策略技术研究,研究的成果在一定程度上为未来多飞行器自主编队协同制导、发挥体系优势执行作战任务提供了有益的理论和技术支持。

关键词：高超声速多飞行器轨迹优化协同规划协同控制策略

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针对集群目标的多飞行器协同拦截问题研究

针对集群目标的多飞行器协同拦截问题研究

作者：李林汉电子科技大学

学位级别：硕士

与单个飞行器相比,飞行器集群具有低成本、高效率、抗损耗等特点。因此飞行器集群在战场上得到了广泛的应用,是未来战场环境发展的重要趋势,同时也给国防防御技术带来了巨大的挑战。采用低成本集群对抗集群的作战方式,能够有效的消除飞... 详细信息

与单个飞行器相比,飞行器集群具有低成本、高效率、抗损耗等特点。因此飞行器集群在战场上得到了广泛的应用,是未来战场环境发展的重要趋势,同时也给国防防御技术带来了巨大的挑战。采用低成本集群对抗集群的作战方式,能够有效的消除飞行器集群带来的威胁。论文面向飞行器拦截对抗空中集群目标的场景,在实际作战中飞行器为拦截导弹,拦截对象为集群无人机,研究多飞行器智能协同制导与控制问题,实现多飞行器自主协同作战,对未来的国防事业具有一定的理论意义和工程价值。论文以多飞行器密集覆盖集群目标所在空域的协同飞行控制问题为立足点,研究了区域覆盖控制、固定时间一致性、协同制导律等算法,解决了多飞行器同时覆盖拦截集群目标空域的问题。论文主要创新性成果包括:1、研究集群目标所在空域的区域覆盖控制问题。根据目标区域中集群目标的分布函数和飞行器爆炸时毁伤半径等条件,建立多飞行器区域覆盖控制问题的数学模型。基于概率模型下的区域覆盖控制理论,提出贪婪梯度覆盖控制算法:以贪婪算法得到的最优解作为初始条件,用分布式梯度算法来确定目标区域内各个飞行器的最优部署位置,将其作为飞行器的最终目标点。2、研究含外界扰动的二阶多智能体系统固定时间一致性问题。多飞行器协同拦截任务要求多飞行器能够同时到达各自的目标位置,将多飞行器系统简化为二阶多智能体模型,设计多智能系统的固定时间一致性协议。同时在以往一致性算法的基础上,考虑到系统模型中会存在模型不确定及外界干扰等因素,提出了含外界干扰时的多智能体系统固定时间一致性算法。3、将上述方法应用于多飞行器协同拦截集群目标的控制问题中。构建飞行器的质心动力学运动模型,建立三维空间中弹目相对运动关系方程组,基于固定时间一致性分别设计多飞行器的剩余飞行时间和视线角速率协同制导律。同时结合区域覆盖控制算法,确定飞行器各自的目标位置,完成多飞行器协同拦截空中的集群目标。

关键词：多飞行器集群对抗区域覆盖控制固定时间一致性协同制导律