基于智能優(yōu)化算法的無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃是根據(jù)任務(wù)目標(biāo)規(guī)劃出滿足約束條件的飛行軌跡，是無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。
　　 本文得到航空科學(xué)基金項(xiàng)目(2009ZC52041)資助，對(duì)無(wú)人機(jī)靜態(tài)航跡規(guī)劃、突發(fā)威脅下航跡規(guī)劃、無(wú)人機(jī)多機(jī)協(xié)同航跡規(guī)劃及航跡平滑等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。
　　 針對(duì)無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃問(wèn)題所需滿足的約束條件，建立了無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)性能約束模型和威脅約束模型，其中前者包括最大航程、最大爬升角、最小轉(zhuǎn)彎半徑及最小步長(zhǎng)；后者主要包括雷達(dá)、

2、導(dǎo)彈、高炮、大氣和地形等威脅模型。此外，考慮到無(wú)人機(jī)可以利用地形進(jìn)行規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，因此將高度作為航跡綜合代價(jià)之一。
　　 標(biāo)準(zhǔn)蟻群算法應(yīng)用到無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃問(wèn)題中，狀態(tài)轉(zhuǎn)移策略僅根據(jù)信息素及啟發(fā)因子按概率選擇，存在盲目選擇且難以快速找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題。本文在標(biāo)準(zhǔn)蟻群算法的狀態(tài)轉(zhuǎn)移策略中引入導(dǎo)引因子，并通過(guò)設(shè)定最大航跡節(jié)點(diǎn)數(shù)，解決了標(biāo)準(zhǔn)蟻群算法難以找到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的問(wèn)題。此外，在蟻群算法中引入隨機(jī)螞蟻?zhàn)尤海梢詳U(kuò)大搜索空間并增加解的多樣性，

3、使得算法可以獲得更精確的解。仿真結(jié)果表明：改進(jìn)的算法較原算法具有一定的優(yōu)勢(shì)。
　　 無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行中如果存在突發(fā)威脅分布的情況，必須進(jìn)行航跡重規(guī)劃，以便規(guī)避威脅。為滿足作戰(zhàn)時(shí)效性，要求重規(guī)劃所采用的算法必須具有實(shí)時(shí)、高效的特點(diǎn)。本文根據(jù)蜂群算法鄰域搜索的特性，以參考航跡的突發(fā)威脅段作為引領(lǐng)蜂航跡，跟隨蜂僅在參考航跡的突發(fā)威脅段進(jìn)行鄰域搜索，而不需要對(duì)整條航跡搜索，由此可以快速獲得修正航跡段，并替換原突發(fā)威脅航跡段。整個(gè)飛行過(guò)程中

4、，無(wú)人機(jī)根據(jù)獲得的威脅信息，不斷修正參考航跡，直至達(dá)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明：該算法在局部航跡修正方面較蟻群算法有一定的優(yōu)勢(shì)。
　　 針對(duì)無(wú)人機(jī)協(xié)同航跡規(guī)劃問(wèn)題提出兩級(jí)規(guī)劃算法。該方法將協(xié)同航跡規(guī)劃劃分為航跡規(guī)劃層和協(xié)同規(guī)劃層。其中，航跡規(guī)劃層首先設(shè)置滿足每架無(wú)人機(jī)攻擊角度的攻擊節(jié)點(diǎn)集，然后采用智能優(yōu)化算法得到各候選節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)的候選最優(yōu)航跡集；協(xié)同規(guī)劃層通過(guò)設(shè)計(jì)不同無(wú)人機(jī)的候選航跡之間的協(xié)同變量和協(xié)同函數(shù)，確定各候選綜合協(xié)同代價(jià)

5、最小的方案。最后，分別對(duì)協(xié)同會(huì)聚攻擊及協(xié)同輪流攻擊兩種攻擊策略進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：該方法可以獲得全局最優(yōu)備選航跡方案集，并能準(zhǔn)確生成符合時(shí)空協(xié)同要求的航跡。
　　 無(wú)人機(jī)初始航跡規(guī)劃僅考慮了部分無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)性能約束，所獲得的航跡僅能滿足戰(zhàn)術(shù)運(yùn)籌，難以滿足飛行性能約束，因此必須進(jìn)行航跡平滑。本文根據(jù)航跡平滑問(wèn)題的參數(shù)分布不均勻的特點(diǎn)，為保證平滑后的航跡代價(jià)無(wú)顯著變化，提出了基于三次非均勻B樣條曲線插補(bǔ)的航跡平滑方法。仿真結(jié)果表明：采

6、用本文算法平滑后的航跡轉(zhuǎn)彎半徑均大于無(wú)人機(jī)所允許的最小轉(zhuǎn)彎半徑，整體過(guò)渡自然，航向沒(méi)有突變。該平滑航跡不但經(jīng)過(guò)全部航跡節(jié)點(diǎn)，而且逼近原航跡曲線，因此航跡的綜合代價(jià)較原航跡無(wú)顯著變化。
　　 最后，針對(duì)無(wú)人機(jī)航跡各代價(jià)權(quán)重在起初往往取平均值或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，存在主觀性較人的缺陷，本文充分考慮各指標(biāo)之間的關(guān)系，引入離差最大化法和信息熵法來(lái)求解權(quán)重。此外，在多個(gè)方案進(jìn)行優(yōu)選決策時(shí)，進(jìn)一步考慮各因素之間相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)特性，引入灰色關(guān)聯(lián)分