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无人机任务规划系统研究

无人机任务规划系统研究

作者：王宝广沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

无人机（UAV）在现代化战争中扮演着更为重要的角色,越来越多地执行侦察、对敌攻击等飞行任务。世界各军事强国相继研制了各种型号的无人机。作为无人机实施智能飞行的关键支撑技术,无人机任务规划系统技术越来越多地引起世界各国研究... 详细信息

无人机（UAV）在现代化战争中扮演着更为重要的角色,越来越多地执行侦察、对敌攻击等飞行任务。世界各军事强国相继研制了各种型号的无人机。作为无人机实施智能飞行的关键支撑技术,无人机任务规划系统技术越来越多地引起世界各国研究人员的重视,被誉为无人机运筹帷幄、决胜千里,提升作战效能的倍增器。本文系统地研究了国内外无人机研制、应用情况,重点研究了无人机任务规划系统技术的研究情况、发展趋势,全面的分析了无人机任务规划系统的基本功能、系统模块组成、工作机制与运用方式。规划算法是无人机任务规划系统的灵魂和内驱力,本文系统的研究了国内外学者近年来用以研究无人机任务规划系统的算法,采用比较研究的方式研究了各种方法的优劣特点和使用范围。航迹规化是任务规划的核心和主体,在任务规划技术研究领域占有重要地位。本文以遗传算法为主要工具对无人机航迹规划问题开展了深入研究,建立了无人机任务规划环境中可能遇到的飞行任务约束、威胁约束、航程约束等各种约束模型,探索了简化规划空间的方法,提出了基于简化空间的航迹搜索寻优方法并对今后研究提出了展望与建议。

关键词：无人机无人机任务规划规划算法遗传算法航迹规化

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无人机任务规划算法研究及应用

无人机任务规划算法研究及应用

作者：王思琪东北石油大学

学位级别：硕士

无人机任务规划是为执行任务的无人机制定任务安排、目标次序分配、飞行路径制定等一系列任务的计划安排。随着能源采集需求逐年增多,新开发油井的数量和范围日益递增,人工巡检能力已无法满足油井巡检的需求。因此,研究油井巡检任务规... 详细信息

无人机任务规划是为执行任务的无人机制定任务安排、目标次序分配、飞行路径制定等一系列任务的计划安排。随着能源采集需求逐年增多,新开发油井的数量和范围日益递增,人工巡检能力已无法满足油井巡检的需求。因此,研究油井巡检任务规划中无人机巡检控制决策问题,从而有效地求解巡检目标分配和无人机路径规划问题模型具有重要意义。无人机任务规划算法是无人机任务系统的核心,用于解决无人机之间合理目标分配和可飞路径规划任务模型的求解问题。其中粒子群算法作为代表算法,因具有操作简单、寻优性能优秀的特点,广泛应用于无人机任务规划研究应用中。但是由于任务实际要求不同和任务目的侧重点的不同,并且标准粒子群算法也存在不可避免的缺点。因此对算法进行合理的改进,不仅能契合无人机任务实际要求和目的,还能提高无人机任务规划的效率和成功率。本文以无人机任务规划分析设计及应用为实例,围绕标准粒子群算法的改进及在油井巡检的应用中进行了研究,主要内容如下:首先,研究无人机目标分配任务中约束条件的组成和构建模型的原理,结合任务约束和无人机自身约束,确定前期全局无人机目标分配任务模型。选择粒子群算法作为任务规划基本算法,针对任务不同时期的需求进行改进。任务前期的全局性任务分配中,在粒子群算法的基础上引入量子行为,扩大搜索范围,提高算法的全局搜索性能。其次借鉴粒子群算法惯性权重的处理方法,在量子粒子群算法中收缩-扩张系数中引入线性微分递减策略,跳出局部最优值,提升收敛速度。然后,引入高斯学习策略提升结果精度。最后改进算法通过多峰函数测试,与其它算法进行性能比较分析,并进行实例仿真。然后,研究无人机路径规划任务约束条件和构建模型问题,结合相关约束,确定后期局部无人机路径规划任务模型。基于优势互补思想,选择任务前期的改进算法与天牛须搜索算法组成混合算法,并对其进行改进。算法前期采用改进粒子群算法全局搜索出群体最优值,然后在算法后期采用天牛须搜索算法在最优值附近进行更进一步的精确搜索。最后改进算法通过多峰函数测试,与其它算法进行性能比较分析,并进行实例仿真。最后,研究改进算法在油田巡井中的应用问题。根据层次递进规划思想,研究分析并阐述无人机油井巡检任务规划总体步骤。针对油井巡检前期全局性分配任务模型,采用基于高斯线性微分递减量子粒子群算法规划获取初始分配集合,使分配结果满足短时间内收益最大并满足全分配要求;针对后期局部性三维路径规划模型,采用基于高斯天牛须量子粒子群算法确定完成指定分配区域的最短路径,使生成的路径满足分配区域遍历和飞行路径最短的要求。针对无人机在实际飞行中需要按照自身控制率跟随的特点,对初始参考路径进行平滑处理,使处理后的路径满足飞行可行性的要求。通过对实验结果的分析,验证采用改进任务规划算法在无人机油井巡检中的效果。

关键词：无人机任务规划量子粒子群算法天牛须搜索算法油井巡检

突出思维力培养的无人机任务规划课程教学模式研究

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产业与科技论坛 2023年第17期22卷 177-179页

作者：王资王海杰牛全民空军预警学院

对标“金课”标准中的“高阶性”要求,结合军队院校“为战育人”的使命任务,探索了突出思维力培养的无人机任务规划课程教学模式。文章分析了课程特点,研判了教学痛点。探究了教学模式,基于改进的对分课堂,从学理依据、教学内容重构、... 详细信息

对标“金课”标准中的“高阶性”要求,结合军队院校“为战育人”的使命任务,探索了突出思维力培养的无人机任务规划课程教学模式。文章分析了课程特点,研判了教学痛点。探究了教学模式,基于改进的对分课堂,从学理依据、教学内容重构、教学设计架构、教学实施过程、教学评价五个方面论述,对传统讲授式课堂进行全方位改良,以期让学员“学”“思”并进。教学效果验证了该教学模式的有效性,为课程教学改革提供了参考。

关键词：思维力培养无人机任务规划对分课堂教学模式

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“无人机任务规划”课程定位及教学设计研究

工业和信息化教育 2023年第5期 55-58页

作者：羊钊张智杰高翔宇南京航空航天大学通用航空与飞行学院江苏南京211106 南京航空航天大学民航学院江苏南京211106

从培养无人机领域创新型卓越工程人才的目标出发,介绍了国内无人驾驶航空器系统工程专业“无人机任务规划”课程开设的背景;从“新工科”建设特点及学生培养目标出发,论述“无人机任务规划”课程定位;基于“无人机任务规划”课程具体内... 详细信息

从培养无人机领域创新型卓越工程人才的目标出发,介绍了国内无人驾驶航空器系统工程专业“无人机任务规划”课程开设的背景;从“新工科”建设特点及学生培养目标出发,论述“无人机任务规划”课程定位;基于“无人机任务规划”课程具体内容探讨教学内容设计;采用理论学习与研究实践相结合的方式,研讨课程教学设计方法。以此为无人驾驶航空器系统工程专业及相关课程的设置提供参考,有利于我国培养无人机领域的多元化创新型人才。

关键词：无人驾驶航空器系统工程无人机任务规划课程定位教学设计

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多无人机协同任务规划问题

数学的实践与认识 2017年第14期47卷 52-62页

作者：杜于飞覃太贵邓秀方褚燕武三峡大学电气与新能源学院湖北宜昌443002 三峡大学理学院湖北宜昌443002 华南理工大学物理与光电学院广东广州510000 华中科技大学武汉国家光电实验室湖北武汉430000

研究无人机任务规划问题,从无人机侦查和轰炸两方面入手.首先,运用迭代算法求解出从基地到雷达区域边际上任一目标出入口的最短路径.在此基础上,以无人机在雷达范围内滞留时间最短,以及被探测次数最少为目标,建立多目标最优化模型.通过... 详细信息

研究无人机任务规划问题,从无人机侦查和轰炸两方面入手.首先,运用迭代算法求解出从基地到雷达区域边际上任一目标出入口的最短路径.在此基础上,以无人机在雷达范围内滞留时间最短,以及被探测次数最少为目标,建立多目标最优化模型.通过改进交叉算子的遗传算法找出最优侦查路径.对于轰炸任务,以无人机在雷达范围内滞留时间最短,以及轰炸总时间最短为目标,建立多目标最优化模型.采用改变惯性权重的自适应粒子群算法找出最佳轰炸路线.由于计算时间较长,本文对68个目标进行聚类分析,提出针对轰炸任务的快速算法,相较原轰炸方案,其计算效率提高80%以上.

关键词：无人机任务规划遗传算法粒子群算法聚类分析

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卫星与无人机协同对地观测任务规划

卫星与无人机协同对地观测任务规划

作者：张忠清哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着对地观测平台和载荷类型日益多样化,各类平台的机动性能、计算能力和数据传输与通信能力取得较大进步。目前,多平台多种类型载荷的对地观测系统更加符合现在的需求。根据用户的观测任务要求和各类观测平台的能力和约束条件,设计空... 详细信息

随着对地观测平台和载荷类型日益多样化,各类平台的机动性能、计算能力和数据传输与通信能力取得较大进步。目前,多平台多种类型载荷的对地观测系统更加符合现在的需求。根据用户的观测任务要求和各类观测平台的能力和约束条件,设计空天协同对地观测任务规划策略,使其充分发挥各平台的优势,提高观测能力,已成为近年来对地观测的领域的研究的重点。本文针对卫星和无人机规划的特点,对协同规划过程中的观测时间段、目标等级、成像偏好和各种约束条件进行数学建模。分别建立卫星和无人机的约束满足模型。在考虑J摄动情况下的轨道递推和卫星相对于目标高度角约束的结合下,筛选出在规划时间段内符合要求的卫星。对筛选出的卫星进一步处理,得出卫星观测目标的时间和侧摆角度。对多卫星观测多个目标的情况用遗传算法进行任务规划,并对该算法作出改进,使其能在多星规划中有较好的效果。对多无人机观测多个目标的情况,首先对其进行任务分配,得到各无人机的观测序列。对有多个无人机基地的情况,先对目标聚类,使目标分配到各无人机基地,再进行单个基地的规划。对空天协同任务规划问题,设计了分层检验协同规划算法,通过把目标和卫星进行分组处理,再分层把目标输入卫星系统中,当目标可以规划到卫星的观测序列中时,触发卫星和无人机对目标的竞争,根据两系统总收益的增量判断分配方案。其次,还设计了顶层分配协同规划算法,通过将目标间的约束、目标数量与可观测容量之间的关系和目标分布情况设计相应的启发因子,组合成目标函数,迭代求解目标函数的最大值即为两系统对目标的分配方案。

关键词：卫星任务规划遗传算法无人机任务规划协同规划

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无人机水上船舶物流配送任务规划研究

航空计算技术 2023年第4期53卷 81-85页

作者：高翔宇羊钊李娜南京航空航天大学江苏南京211000

针对水上船舶物流配送场景下的无人机任务规划问题,综合考虑了无人机自身性能限制和物流配送任务要求,以飞行路径长度最短为目标函数构建了多无人机物流配送任务规划模型。为提高算法求解效率和寻优性能,在粒子群算法基础上进行改进,融... 详细信息

针对水上船舶物流配送场景下的无人机任务规划问题,综合考虑了无人机自身性能限制和物流配送任务要求,以飞行路径长度最短为目标函数构建了多无人机物流配送任务规划模型。为提高算法求解效率和寻优性能,在粒子群算法基础上进行改进,融入遗传算法的精英选择策略、交叉策略和自适应高斯变异策略。仿真实验结果表明,相较于遗传算法和粒子群算法,该混合算法具有更快的收敛速度和更高的精度,具备较强的寻优能力,能够找到更佳的船舶物流配送任务规划方案。

关键词：水上船舶物流配送无人机任务规划遗传算法粒子群算法融合算法

基于改进蒙特卡洛树搜索的无人机目标分配与突防决策方法

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中南大学学报（自然科学版） 2023年第8期54卷 3132-3144页

作者：熊韫文魏才盛许丹周亮薛晓鹏中南大学自动化学院湖南长沙410083 中南大学空天智能控制研究中心湖南长沙410083 国防科技大学系统工程学院湖南长沙410073 航天科工集团智能科技研究院有限公司北京100144

针对多无人机任务规划问题,在多种约束与机动动作下,进行目标分配和突防决策统一建模与优化求解方法研究。首先,基于无人机自身优势、目标威胁以及突防概率分别建立目标分配优化函数和突防决策优化函数;然后,利用线性加权法将两者融合,... 详细信息

针对多无人机任务规划问题,在多种约束与机动动作下,进行目标分配和突防决策统一建模与优化求解方法研究。首先,基于无人机自身优势、目标威胁以及突防概率分别建立目标分配优化函数和突防决策优化函数;然后,利用线性加权法将两者融合,形成多无人机协同任务规划统一目标函数;其次,在强化学习框架下,分阶段构建协同任务规划的状态空间和动作空间,并根据统一目标函数设计奖励函数;提出一种改进的蒙特卡洛树搜索强化学习算法,在统一目标函数最大收益下实现对无人机目标分配和突防决策问题的求解;最后,通过对比仿真实验验证所提出的方法的时效性和最优性。研究结果表明:相较于传统方法,所提出的方法在提升收敛程度的同时,将训练时间减少了15%。

关键词：无人机任务规划目标分配多阶段决策蒙特卡洛树搜索

基于动态分治的大规模多场站无人机应急救援优化方法

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北京邮电大学学报 2024年第1期47卷 65-71页

作者：苏立晨赵浩然郭通杜文博李宇萌北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191 北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191

面对应急救援任务时间紧、需求量大、待救援点数量规模较大等特点,提出了基于动态分治的大规模多场站无人机应急救援优化方法。在充分考虑无人机平台约束和应急救援任务约束的基础上,以最小化累计救援时间为目标函数,建立了多场站无人... 详细信息

面对应急救援任务时间紧、需求量大、待救援点数量规模较大等特点,提出了基于动态分治的大规模多场站无人机应急救援优化方法。在充分考虑无人机平台约束和应急救援任务约束的基础上,以最小化累计救援时间为目标函数,建立了多场站无人机应急救援模型。基于该模型,提出了基于路径相似度的动态分治策略,根据救援点的耦合关系进行空间聚类,将大规模问题分解为若干个规模较小、且耦合度较低的子问题;提出了自适应扰动邻域的变邻域搜索算法,通过多维邻域的协同搜索和动态交互,实现大规模应急投送方案的高效寻优。以典型样本为例,与先进元启发算法在不同规模的数据集上进行了对比,结果验证了所提方法能够有效地缩短应急投送的时间,为高效的灾后应急救援任务提供技术支撑。

关键词：无人机任务规划车辆路径问题混合整数规划邻域搜索算法