基于动态步长的无人机三维实时航迹规划

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1、2016年12月北京航空航天大学学报December2016第42卷第12期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．42No．12http：ffbhxb．buaa．edu．cajbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0821基于动态步长的无人机三维实时航迹规划张帅1，李学仁1’+，张建业2，张鹏1，李博1，赵晓林1(1．空军工程大学航空航天工程学院，西安710038；2．空

2、军工程大学科研部，西安710051)摘要：针对直接在三维空间进行无人机(UAV)航迹规划难度较大的问题，将三维规划分解为二维平面规划和高度规划，最后再合成得到三维航迹，使规划空间得以简化，降低问题的复杂度；为实现在威胁区域对航迹的精细搜索，降低危险性，提出了一种根据与威胁的距离而动态调整搜索步长的策略；当无人机遇到突发威胁时，通过设置子目标点，帮助无人机快速修正航迹，实现航迹重规划。仿真试验结果验证了所提方法的有效性，无人机可以安全绕开突发威胁，实现三维规划，采用动态步长，航迹的受威胁程度降低。关键词：无人

3、机(UAV)；航迹规划；子目标点；动态步长；二维平面规划；高度规划中图分类号：V279文献标识码：A文章编号：1001．5965(2016)12．2745．10无人机(UAV)航迹规划是在考虑地形、气象、威胁等环境因素以及自身的飞行性能的基础上，为无人机制定出从初始位置到目标位置的最优飞行路径¨1。无人机航迹规划对于无人机形成实战能力、实现低空突防具有重要意义。国内外对无人机航迹规划已做了大量的研究。文献[2]将规划区域栅格化，用栅格的颜色表示不同威胁程度，通过在浅色的栅格区域中搜索航迹点进行二维静态航迹规

4、划。文献[3-5]通过在威胁区域设定人工势场，实现对威胁的避障，但采用势场法，当航迹搜索到某势场均衡处时容易陷人停滞。文献[6]将航迹规划分为学习和查询2个阶段，提出了在稀疏路线图上实时搜索初始航迹和在精细路线图上启发式搜索后备航迹的规划方法。文献[7．10]根据无人机实时探测的信息，对环境进行预测，再进行规划，实现实时航迹规划，但因为需要不断地更新环境信息，使得计算量较大。文献[11]通过在遗传算法中引入基因对比度以此提高优良基因的遗传概率，航迹规划算法的实时性得以提高。这些专家学者对航迹规划的研究都做了

5、大量的工作，但还有一些值得改进和需要继续深入研究的地方。目前，对二维航迹规划研究较充分，而三维航迹规划有待进一步研究，静态规划与实时规划难以同时兼顾。在传统航迹规划中，通常都是设定指定的步长进行航迹节点扩展，对于采用动态步长进行节点扩展的研究甚少。采用动态步长搜索策略，可以在威胁区域附近实现精细搜索，在无威胁自由空间区域实现大步长搜索，所以，本文提出了一种基于动态步长的无人机航迹规划方法。在进行航迹规划时，通常根据已掌握的环境信息进行事先规划，得到一条静态参考航迹。但由于战场环境瞬息万变，当出现新的突发威胁

6、时，需要及时修正航迹，尽快逃离危险区域∞1，所以对于遭遇突发威胁时的航迹重规划的研究是非常收稿日期：2015．12．17；录用日期：2016-03—18；网络出版时间：2016．04—1315：37网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20160413．1537．006．html基金项目：航空科学基金(20145596024)；陕西省自然科学基金(2014JQ8331)$通讯作者：Tel．：029-84787712E-mail：lixueren@126．eom；

7、f用格式：张帅，李学仁，张建业，等．基于动态步长的无入机三维实时航迹规划ⅣJ．北京航空航天大学学报，2016，42(12)：2745。2754．ZHANGS．LIXR．ZHANGlY．etd．UAV3Dreal-timepathplanningbasedondynamicsteplnJournalofBeijingUni-versityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(12)：2745_2754(inChinese)·2746北京航空航天大学学报必要的，无人机需要具备

8、一定的实时规划能力。本文通过在突发威胁区域附近设置子目标点，实现对突发威胁的动态规避。航迹规划考虑的因素众多，是一个NP-hard问题，随着规划空间的增加，复杂程度和求解时间呈指数性增长。对于传统的航迹规划算法，直接在三维空间进行航迹搜索，搜索空间大，约束条件多，而且航迹在精度上要求高，使得航迹规划计算量非常大¨1

9、。基于此，本文提出了一种将三维空间转化为2个二维平面的规划，可以简化问题的复杂性。1航迹规划建模1