信使机制uavugv多点动态集结的协同规划方法研究

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1、信使机制UAV/UGV多点动态集结的协同规划方法研究张兴2015年6月中图分类号：TP13UDC分类号：621信使机制UAV/UGV多点动态集结的协同规划方法研究作者姓名张兴学院名称自动化学院指导教师陈杰教授答辩委员会主席申请学位工学博士学科专业控制科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月ResearchontheCoordinativePlanningforUnmannedAerialandGroundVehiclesinMulti-pointDynamicAggregationbasedonMessengerMechanis

2、mCandidateName：XingZhangSchoolorDepartment:SchoolofAutomationFacultyMentor:Prof.JieChenChair,ThesisCommittee：Prof.DegreeApplied:DoctorofEngineeringMajor：ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：June,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导

3、下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要无人机(UnmannedAerialVehicle,UAV)/无人车(UnmannedGroundVehicle,UGV)异构协同是一个前沿性研究课题,因其巨大的应用价值受到了世界各国学者的广泛关注。由于UAV/UGV在速度

4、、负载、通讯、观测能力等方面具有很强的互补性，二者协同可以有效拓宽UAV和UGV的应用范围,提高其执行侦察、搜索、营救等任务的效率。本文以UAV/UGV异构协同执行任务为背景，首先研究了UAV/UGV系统(UnmannedAerialandGroundVehicleSystem,UAGVS)可能的协同模式，并从优化角度对不同类型协同系统进行了统一决策建模。针对一类典型任务模型—多点动态集结任务(Multi-pointDynamicAggregationTask,MPDAT)，深入研究了采用UAGVS执行该任务的相关理论问题。采用UAGVS执行MPD

5、AT时，UAV充当信使的角色，而UGV则作为移动执行器。UAV周期性地飞过任务点获取相关信息，并将这些信息发送给各个UGV，UGV根据接收到的任务信息执行决策，从而优化任务完成效率。本文针对信使机制UAGVS执行MPDAT所涉及到的三个关键问题——遍历任务点和UGV的信使UAV的路径规划、信使UAV引导下多UGV任务分配及其分布式运动协同问题进行了深入研究，并设计了高效的求解算法，从规划层面实现了系统整体性能的优化。最后通过集成仿真实例验证了信使机制UAGVS执行MPDAT的可实现性和有效性。本文主要的工作和创新点包括以下四个方面：(1)系统分析了

6、UAV/UGV可能的协同模式，从UAV和UGV在任务中扮演的功能角色、任务耦合程度以及系统决策方式三个层面提出了一种UAGVS分类方法。基于该分类方法，从优化角度建立了不同类型系统的一般性决策模型，并从理论上分析了优化决策问题的计算复杂性以及实时性问题。这一研究为UAGVS系统的搭建和决策制定提供了统一的分析思路和求解策略。同时，建立了MPDAT的数学模型，并总结了采用信使机制UAGVS执行MPDAT的优势，以及其中所涉及的关键问题。(2)对于MPDAT中作为UGV信使的UAV路径规划问题，建立了具有曲率约束的UAV路径规划模型—Dubins旅行商

7、模型(DubinsTravelingSalesmanProblemwithNeighborhood,DTSPN)。通过引入终端航向松弛意义下的Dubins路径，有效简化了两点间曲率约束最短路径的计算，消除了DTSPN求解过程中对于航向的依赖。同时引入基于邻域边界的编码策略，减少了决策变量的数量，有效地压缩了DTSPN问题的I北京理工大学博士学位论文寻优空间，降低了优化难度。同时，在Memetic算法框架下，融合近似梯度算法和进化算法，设计了高效的求解算法。计算试验表明：本文提出的算法与其他文献中的算法相比，在路径规划质量和计算时间方面实现了较好的权

8、衡，可以在相同计算时间内产生更高质量的解。考虑到小型固定翼无人机飞行路径容易受到风场的影响，研究了风场中DTSP(Dubi