无人机航迹规划常用算法综述
来源:尖兵之翼
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作者: 王 琼 刘美万 任伟建 王天任
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发布时间: 2021-03-10
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为促进航迹规划技术的发展, 对航迹规划常用算法进行综述。首先对航迹规划的规划思想和构成进行分析；其次将航迹规划算法分为传统经典算法和现代智能算法两大类, .....
(1. 东北石油大学 a. 电气信息工程学院; b. 黑龙江省网络化与智能控制重点实验室, 黑龙江 大庆 163318;2. 中国石化集团 中石化新星(北京)新能源研究院有限公司, 北京 100083)
摘要： 为促进航迹规划技术的发展, 对航迹规划常用算法进行综述。首先对航迹规划的规划思想和构成进行分析；其次将航迹规划算法分为传统经典算法和现代智能算法两大类, 对其中几种常用算法进 行分析总结；最后阐述现代智能算法在航迹规划应用中的改进、 多重算法的融合改进以及多无人机四维航迹规划算法研究3个研究热点及未来发展趋势。
关键词： 无人机；航迹规划；综述；传统经典算法；现代智能算法
0 引 言
随着航空技术日益发展, 越来越多的无人机被用于替代飞行员执行一些高危险、 高强度或大范围巡检、 搜救任务, 因此完善的任务规划系统是无人机顺利完成任务的重要保障。任务规划系统一般由航迹规划、 导航、 数据通信3大子系统组成, 而航迹规划则是任务规划系统的核心部分。
无人机航迹规划就是在综合考虑无人机到达时间、 油耗、 威胁以及飞行区域等因素的前提下, 为无人机规划出最优或满意的飞行航迹, 以保证圆满地完成飞行任务[1] 。无论是在军事还是民用领域, 好的航迹规划系统都是提高无人机安全性能, 保证无人机出色完成任务的重要手段。笔者将在对航迹规划问题进行分析的基础上, 对当前几种常用航迹规划算法进行分类总结, 最后指出目前研究热点及未来发展趋势。
1 航迹规划问题分析
在不考虑时间因素的情况下, 无人机航迹规划应该是在三维空间中进行的, 但在一些任务中, 无人机保持在固定高度飞行, 不需要考虑高度变化问题。因此在进行航迹规划时可以将三维空间中的物体投影到二维平面, 从而将三维航迹规划问题降至二维, 简化问题的复杂度。但在军事突防、 电力巡线、 山地救援等应用中, 二维航迹规划实用价值有限。笔者将从规划思想和构成两方面对航迹规划问题进行分析。
1.1 规划思想
航迹规划问题是一个包含多个优化目标和多个约束的非线性规划问题[2] , 其核心就是建立目标函数的数学模型和有效地处理各项约束。由于涉及约束条件较多, 目标函数复杂, 数学模型建立困难, 为降低问题复杂性, 目前大多数学者都采用分层规划的思想, 将航迹规划分为两步进行。首先根据已知的环境信息、 任务要求等在无人机起飞前为其规划出一条满足约束条件的全局最优参考航迹。无人机在按照此航迹飞行的过程中, 当出现未知或动态威胁信息时, 再进行局部航迹动态优化。由于全局参考航迹规划需要考虑整体的优化, 因此要在避免陷入局部最优的情况下尽量减少计算量。而局部航迹动态优化用于应对突发威胁, 因此要尽量缩短规划时间以确保实时性。
1.2 规划构成
无人机航迹规划一般由以下几个部分组成：描述规划空间, 选择航迹的表示形式, 分析约束条件, 确定代价函数, 选取航迹搜索算法和航迹平滑。
1) 描述规划空间。其目的是建立一个便于计算机进行航迹规划所使用的环境模型, 即将实际的物理空间抽象成算法能处理的抽象空间, 实现相互间的映射。规划空间的表示是否合理直接影响规划的效率和结果的优劣性。一种好的规划空间表示法应能满足如下要求:
① 规划空间能合理且尽量完善地反映飞行环境中的各种信息(地形、 威胁、 障碍等), 以利于航迹搜索；
