基于多目標(biāo)規(guī)劃的無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃探析

摘要：多目標(biāo)的無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃問(wèn)題作為主要研究方向之一，針對(duì)各類活動(dòng)中多目標(biāo)情況下如何規(guī)劃出更合理的路徑，成為無(wú)人機(jī)研究者最關(guān)心的問(wèn)題，為更好的發(fā)揮出無(wú)人機(jī)的作用，為各地區(qū)各行業(yè)發(fā)展提供支持，本文通過(guò)分析無(wú)人機(jī)近距離運(yùn)動(dòng)規(guī)劃體系，提出無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃方法，為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：多目標(biāo);無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)發(fā)展越來(lái)越穩(wěn)定，各項(xiàng)活動(dòng)基本上都可以看到無(wú)人機(jī)出現(xiàn)，同時(shí)，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用也會(huì)出現(xiàn)在不同的場(chǎng)景中，例如，軍事勘探、人物追蹤、農(nóng)藥無(wú)人噴灑、民用航拍等等，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越深入，其中多目標(biāo)下的無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃成為主要探究問(wèn)題，也是各項(xiàng)大型活動(dòng)的必要準(zhǔn)備。

一、無(wú)人機(jī)近距離運(yùn)動(dòng)規(guī)劃體系

在深入研究單個(gè)自主運(yùn)動(dòng)功能規(guī)劃相關(guān)問(wèn)題之前，首先我們需要要建立相對(duì)較為完整的單個(gè)自主運(yùn)動(dòng)功能規(guī)劃工作體系，再由該規(guī)劃體系專家作為理論指導(dǎo)，對(duì)單個(gè)自主運(yùn)動(dòng)功能規(guī)劃的各項(xiàng)具體基本問(wèn)題特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)深入分析研究。本章章節(jié)將根據(jù)單個(gè)自主運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的整體思維表達(dá)方式、運(yùn)動(dòng)思維形式、任務(wù)以及行為等不同特點(diǎn)，建立與之相匹配適應(yīng)的單個(gè)自主運(yùn)動(dòng)功能規(guī)劃工作體系。并按照自主機(jī)器人的使用數(shù)量與運(yùn)動(dòng)規(guī)模，將單個(gè)自主運(yùn)動(dòng)功能規(guī)劃體系分為單個(gè)自主機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)功能規(guī)劃與多少個(gè)機(jī)器人整體協(xié)同進(jìn)行運(yùn)動(dòng)功能規(guī)劃兩類運(yùn)動(dòng)規(guī)劃工作體系。

1、單個(gè)無(wú)人機(jī)規(guī)劃體系

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)操作是整個(gè)自主運(yùn)動(dòng)控制單元系統(tǒng)中的各主控控制單元的一個(gè)核心組成部分，因此我們有必要先進(jìn)地研究系統(tǒng)自主運(yùn)動(dòng)控制單元系統(tǒng)和其他各主控控制單元的基本體系形式結(jié)構(gòu)模型問(wèn)題。系統(tǒng)自主運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展研究至今，先后已經(jīng)出現(xiàn)了多種基本體系形式結(jié)構(gòu)模型形式，目前被廣泛應(yīng)用于控制實(shí)踐的主要是分布式基本體系模型結(jié)構(gòu)，其各個(gè)基本功能模塊相互作為相對(duì)獨(dú)立的功能單元相互參與整個(gè)控制體系。隨著現(xiàn)代人工聰慧智能控制技術(shù)的不斷進(jìn)步發(fā)展，基于比較多agent的分布式基本體系模型結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展成為了技術(shù)主流，各各個(gè)功能模塊相互作為獨(dú)立的一個(gè)智能體單元參與整個(gè)系統(tǒng)自主運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)過(guò)程，該基本體系形式結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用的基本體系形式結(jié)構(gòu)如下表圖1所示。一般上方面，主控控制單元與運(yùn)動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)介入信號(hào)處理、姿態(tài)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、軌道控制傳動(dòng)系統(tǒng)、熱控控制系統(tǒng)、能源控制系統(tǒng)、數(shù)傳、有效載荷運(yùn)動(dòng)控制等各個(gè)功能模塊子系統(tǒng)相互獨(dú)立為一個(gè)智能體，由主控總線交互相連;另一方面，主控控制單元為整個(gè)主控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)提供一個(gè)整體規(guī)劃，以及負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、管理各功能子系統(tǒng)agent的運(yùn)動(dòng)行為。

2、多個(gè)無(wú)人機(jī)協(xié)同規(guī)劃體系

多線程主控智能體系統(tǒng)的基本主控控制群體管理結(jié)構(gòu)體系基本管理結(jié)構(gòu)一般來(lái)說(shuō)可以被細(xì)分為一種系統(tǒng)集中式、分散式兩種基本主控群體管理結(jié)構(gòu)，分散式主控群體管理結(jié)構(gòu)又因?yàn)閺?fù)雜可以進(jìn)一步地可以細(xì)分為多種系統(tǒng)分層式和多種系統(tǒng)分布式主控群體管理結(jié)構(gòu)。這種系統(tǒng)集中式主控群體管理結(jié)構(gòu)通常由一個(gè)系統(tǒng)控制主控單元控制管理單元同時(shí)能夠掌握全部系統(tǒng)主控管理環(huán)境和一個(gè)系統(tǒng)受控管理單元控制機(jī)器人主控管理任務(wù)信息，運(yùn)用系統(tǒng)流程規(guī)劃信息管理分析算法對(duì)系統(tǒng)主控管理任務(wù)進(jìn)行信息管理進(jìn)行系統(tǒng)綜合解析分解，并實(shí)時(shí)自動(dòng)分配管理信息給各自的系統(tǒng)受控管理單元控制機(jī)器人，組織它們共同完成系統(tǒng)主控管理任務(wù)

二、無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃研究方法

1、圖搜索法

圖形化搜索的方法主要依靠收集已知的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實(shí)景地圖以及網(wǎng)絡(luò)地圖文件中的所有障礙物位置信息等來(lái)構(gòu)造從一個(gè)起點(diǎn)搜索到一個(gè)終點(diǎn)的可行搜索路徑。主要可以分成采用深度擴(kuò)展優(yōu)先和采用廣度最后優(yōu)先兩個(gè)搜索方向。采用深度最后優(yōu)先技術(shù)算法擴(kuò)展優(yōu)先深度擴(kuò)展可行搜索路徑深度大的搜索節(jié)點(diǎn)，可以快速的擴(kuò)展得到一條可行搜索路徑，但是采用深度最后優(yōu)先技術(shù)算法擴(kuò)展得到的第一條可行路徑往往就只是較長(zhǎng)的可行路徑。采用廣度最后優(yōu)先技術(shù)算法擴(kuò)展優(yōu)先深度擴(kuò)展搜索深度小的搜索節(jié)點(diǎn)，呈現(xiàn)長(zhǎng)波狀的擴(kuò)展搜索實(shí)現(xiàn)方式。采用廣度最后優(yōu)先技術(shù)算法擴(kuò)展搜索時(shí)得到的第一條可行路徑往往就是最短可行路徑。

2、 RRT算法

快速采樣搜索隨機(jī)采樣樹（rrt）搜索算法是它是一種利用增量式隨機(jī)采樣的稠密搜索計(jì)算方法，該搜索方法在實(shí)際應(yīng)用中不僅僅需要任何精度參數(shù)就能整體確定，具備良好的綜合性和使用性能。這種增量式稠密搜索計(jì)算方法首先需要構(gòu)建的稠密采樣搜索隨機(jī)采樣序列樹其路經(jīng)序列樹的導(dǎo)向搜索方式主要取決于稠密采樣搜索隨機(jī)采樣序列樹的路經(jīng)序列，當(dāng)該隨機(jī)采樣樹的序列為隨機(jī)選種采樣樹的序列時(shí)，該稠密采樣搜索隨機(jī)采樣序列樹又被廣泛稱為快速搜索采樣樹來(lái)搜索隨機(jī)選種采樣序列樹，而不論此時(shí)該隨機(jī)采樣樹的序列為隨機(jī)采樣順序序列還是為非確定性隨機(jī)采樣樹的序列，都被廣泛地簡(jiǎn)稱為快速搜索采樣樹來(lái)搜索稠密隨機(jī)采樣這種樹，這種規(guī)劃方法可處理微分等多種約束。

3、人工勢(shì)場(chǎng)法

人工虛擬勢(shì)能運(yùn)動(dòng)造場(chǎng)法基本理論主要是由khatib提出的一種廣泛地應(yīng)用于進(jìn)行機(jī)器人勢(shì)能運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究規(guī)劃的人工運(yùn)動(dòng)虛擬勢(shì)能運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究學(xué)科和方法。其基本概念理論總體思想基本概念主要是將人工運(yùn)動(dòng)勢(shì)能目標(biāo)和其他一個(gè)障礙物對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的勢(shì)場(chǎng)及其影響反應(yīng)關(guān)系進(jìn)行具體化并綜合形成一個(gè)人工的勢(shì)能造勢(shì)場(chǎng)。人工運(yùn)動(dòng)勢(shì)能目標(biāo)在其他人礙物處人工運(yùn)動(dòng)時(shí)則勢(shì)能低，障礙物處人工運(yùn)動(dòng)時(shí)則勢(shì)能高。這種勢(shì)場(chǎng)間的反差影響關(guān)系直接產(chǎn)生了人工運(yùn)動(dòng)勢(shì)能目標(biāo)對(duì)其他一個(gè)機(jī)器人的反反斥吸引力和其他一個(gè)障礙物對(duì)其他一個(gè)機(jī)器人的反反斥壓和吸壓力，其對(duì)各種綜合吸引力力的運(yùn)動(dòng)控制可使一個(gè)機(jī)器人沿各個(gè)人工和造勢(shì)場(chǎng)的負(fù)梯度方向向各個(gè)勢(shì)能目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)。

綜上所述，為解決多目標(biāo)無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃問(wèn)題，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)主要情況與形勢(shì)進(jìn)行研究，選擇合適的路徑運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，規(guī)劃出最為合理的路徑。為后續(xù)提高各類算法在路徑規(guī)劃問(wèn)題中的運(yùn)算性能，設(shè)置多目標(biāo)無(wú)人機(jī)真實(shí)場(chǎng)景，構(gòu)建完善的解決方案與模型體系做支持。

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基金號(hào)：南寧理工學(xué)院2019年度校級(jí)科研項(xiàng)目+基于無(wú)人機(jī)在無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集中的路徑規(guī)劃研究+KY200901;

2020年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目+5050KY58011。

作者簡(jiǎn)介：劉浩（1990-），男，漢族，廣西桂林人，桂林理工大學(xué)碩士，講師，研究方向：計(jì)算智能。