無人機(jī)航路規(guī)劃優(yōu)化設(shè)計(jì)

袁言川 龍梽熇 文園

摘要：通過對(duì)無人機(jī)航路規(guī)劃的研究，對(duì)無人機(jī)航路規(guī)劃問題進(jìn)行了概括和總結(jié)，闡述了無人機(jī)航路規(guī)劃的數(shù)學(xué)框架結(jié)構(gòu)，并闡述了求解此類數(shù)學(xué)問題的方法。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);航路規(guī)劃;群智能優(yōu)化

一、無人機(jī)航路問題概述

無人機(jī)的雛形是軍事訓(xùn)練中的靶機(jī)，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)，或者由車載計(jì)算機(jī)完全地或間歇地自主地操作[1]。最早出現(xiàn)在20世紀(jì)40年代出現(xiàn)，是一個(gè)許多國(guó)家用于描述最新一代無人駕駛飛機(jī)的術(shù)語。1945年，第二次世界大戰(zhàn)之后將多余或者是退役的飛機(jī)改裝成為特殊研究或者是靶機(jī)，成為近代無人機(jī)使用趨勢(shì)的先河。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)在擔(dān)任偵查任務(wù)的角色上開始展露他的彈性與重要性。如：無人偵察機(jī)可以繞過敵方的雷達(dá)威脅區(qū)而獲得重要的軍事情報(bào)。1982年以色列航空工業(yè)公司（IAI）首創(chuàng)以無人機(jī)擔(dān)任其他角色的軍事任務(wù)。以色列國(guó)防軍主要用無人機(jī)進(jìn)行偵察，情報(bào)收集，跟蹤和通訊。20世紀(jì)90年代后，西方國(guó)家充分認(rèn)識(shí)到無人機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)中的作用，競(jìng)相把高新技術(shù)應(yīng)用到無人機(jī)的研制與發(fā)展上。早期的無人機(jī)都是按照地面任務(wù)規(guī)劃中心預(yù)先計(jì)算并設(shè)定好的航路飛行，因此一旦在既定航路段出現(xiàn)新的威脅，無人機(jī)將束手無策，無人機(jī)航路規(guī)劃無疑成為無人機(jī)導(dǎo)航任務(wù)中最重要的任務(wù)之一。

無人機(jī)航路規(guī)劃是指在特定約束條件下，尋找從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)并滿足無人機(jī)性能指標(biāo)的最優(yōu)或可行的航路。其問題本質(zhì)是多約束條件下，多目標(biāo)函數(shù)求極值的優(yōu)化問題。規(guī)劃出滿足任務(wù)要求、導(dǎo)航、安全性等約束的較優(yōu)航路，對(duì)無人機(jī)應(yīng)用性能的提高有重要意義。無人機(jī)航路規(guī)劃主要包括環(huán)境信息、飛行約束、航路目標(biāo)以及航路規(guī)劃器4部分。根據(jù)不同的任務(wù)環(huán)境，按照環(huán)境模型是否實(shí)時(shí)更新，即無人機(jī)飛行環(huán)境是否確定，航路規(guī)劃可分為靜態(tài)全局航路規(guī)劃和實(shí)時(shí)的局部航路規(guī)劃。靜態(tài)全局航路規(guī)劃根據(jù)無人機(jī)飛行環(huán)境的確定信息，在無人機(jī)離線狀態(tài)下進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，然后把預(yù)先規(guī)劃好的最優(yōu)路徑裝載在無人機(jī)上，無人機(jī)自動(dòng)駕駛沿預(yù)定航線飛行。這一過程一般在無人機(jī)起飛前完成，實(shí)時(shí)性要求不高，因而可以采用的規(guī)劃算法比較寬。實(shí)時(shí)局部航路規(guī)劃通過傳感器對(duì)環(huán)境變化的反饋更新后，在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)對(duì)航路進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，這種規(guī)劃實(shí)時(shí)性要求高，是提高無人機(jī)的生存概率的一種最有效的手段。按照實(shí)時(shí)性要求，可分為強(qiáng)實(shí)時(shí)規(guī)劃算法和弱實(shí)時(shí)規(guī)劃算法。近年來，無人機(jī)實(shí)時(shí)航路規(guī)劃技術(shù)的研究在國(guó)內(nèi)明顯加強(qiáng)，但距實(shí)時(shí)規(guī)劃要求還有較大的差距。

二、航路規(guī)劃的數(shù)學(xué)問題

無人機(jī)的航路規(guī)劃是根據(jù)任務(wù)信息和威脅分布（目標(biāo)點(diǎn)位置、高度、氣候和敵方防空火力與雷達(dá)的部署等）進(jìn)行最優(yōu)航路選擇。

設(shè)某區(qū)域?yàn)闊o人機(jī)執(zhí)行任務(wù)范圍，其中起飛機(jī)場(chǎng)為A點(diǎn)，目標(biāo)任務(wù)執(zhí)行地為B點(diǎn)，無人機(jī)的航路為從A點(diǎn)到B點(diǎn)之間的一條符合要求的線路。具體描述為：以A為原點(diǎn)建立坐標(biāo)軸XAY，過B點(diǎn)分別做平行于X軸和Y軸的直線，B與X軸和Y軸的交點(diǎn)分別設(shè)為C和D，進(jìn)一步得到一個(gè)柵格化的矩形區(qū)域，此區(qū)域?yàn)闊o人機(jī)的飛行空間，將空間中危險(xiǎn)系數(shù)較高的區(qū)域簡(jiǎn)單的表示為圓形圖示，最后規(guī)劃好的航路為通過各個(gè)柵格節(jié)點(diǎn)的路線。

其中C（xi，yi）點(diǎn)表示第i條垂線上的第j點(diǎn)，則從A到B的航路可以表示為：

L={C0（x0，yk0），……，Cm（xm，yn）}，其中C0（x0，yk0）為A點(diǎn)，Cm（xm，yn）為B點(diǎn)。

航路規(guī)劃的數(shù)學(xué)問題就是求解一條最短路徑L，使得無人機(jī)在滿足安全性和航程距離等約束條件下能夠從A到達(dá)B。

三、航路規(guī)劃的求解方法

無人機(jī)的航路規(guī)劃求解即是在整個(gè)解空間內(nèi)選擇不同節(jié)點(diǎn)，最后挑選出一個(gè)最合適的節(jié)點(diǎn)組合，可采用目前較為流行的群智能優(yōu)化算法求解。

群體智能優(yōu)化算法本質(zhì)上即是一種對(duì)大范圍求解空間的搜索算法，與依賴于梯度信息逐步求解的傳統(tǒng)優(yōu)化算法相比，群體智能優(yōu)化算法具有以下特點(diǎn)：

1、魯棒性強(qiáng)。群體中所有的個(gè)體都是分布式的，沒有中心控制節(jié)點(diǎn)，不會(huì)因?yàn)槟骋粋€(gè)個(gè)體的異常而影響整個(gè)群體的求解精度，魯棒性較強(qiáng)。

2、自組織性。群智能算法的群體所體現(xiàn)出來的智能行為是通過眾多個(gè)體的集體行為表現(xiàn)出來的，自組織性較高。

3、便于擴(kuò)充。群體中的每個(gè)個(gè)體都能單獨(dú)感知搜索區(qū)域的信息，可根據(jù)實(shí)際需要或運(yùn)算需求擴(kuò)充群體數(shù)量。

目前常用的求解方法有蟻群算法、粒子群算法、遺傳算法、魚群算法、狼群算法等，可根據(jù)求解空間的范圍和約束條件的區(qū)別選擇不同的群智能優(yōu)化算法。

參考文獻(xiàn)：

[1]ICAOs circular 328 AN/190 ： Unmanned Aircraft Systems .icao

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