飛行器航跡規(guī)劃

前言

隨著計算機、自動化、信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代飛行器技術(shù)發(fā)生了巨大的變化。飛行器的種類越來越多，性能越來越高，技術(shù)密集、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、協(xié)同性強，使得飛行器的操縱愈來愈復(fù)雜。與此同時，伴隨著現(xiàn)代飛行任務(wù)的難度、危險度以及強度的不斷增加，由于飛行員受生理和心理等因素的局限，單純依靠飛行員手工操作完成復(fù)雜的飛行任務(wù)變得越來越困難。例如，在地形跟隨過程中，視覺效應(yīng)會使飛行員精神高度緊張，對速度的控制容易誘發(fā)長周期振蕩。對于這些問題，一種有效的解決途徑就是采用飛行器航跡規(guī)劃技術(shù)。飛行器航跡規(guī)劃是在綜合考慮飛行器到達時間、油耗、威脅以及飛行區(qū)域等因素的前提下，為飛行器規(guī)劃出最優(yōu)或者是滿意的飛行航跡，以保證圓滿地完成飛行任務(wù)。由于飛行器航跡規(guī)劃的規(guī)劃區(qū)域非常廣闊，同時涉及多種約束條件，數(shù)學(xué)模型建立非常困難。在任務(wù)的適應(yīng)性和規(guī)劃的實時性等方面，現(xiàn)有的規(guī)劃算法都難以滿足不斷變化的應(yīng)用需求。近年來針對飛行器航跡規(guī)劃的特點和現(xiàn)有規(guī)劃方法存在的問題，我們開展了一系列研究工作，本書是研究工作的總結(jié)。書中絕大部分內(nèi)容取材于我們在國際、國內(nèi)學(xué)術(shù)期刊發(fā)表的論文，細致而全面地展示了最新的研究成果和進展。本書系統(tǒng)地討論了飛行器航跡規(guī)劃的基本要素。首先，給出了一種新的規(guī)劃環(huán)境表示法，該方法通過采用不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示不同的環(huán)境要素，不僅減少了傳統(tǒng)規(guī)劃方法構(gòu)建搜索圖所需要的計算量，而且當規(guī)劃環(huán)境發(fā)生變化時，可以及時有效地進行數(shù)據(jù)更新，較好地滿足了實時應(yīng)用的要求。

內(nèi)容概要

　　飛行器航跡規(guī)劃是實現(xiàn)飛行器自動導(dǎo)航的一項關(guān)鍵技術(shù)?！讹w行器航跡規(guī)劃》系統(tǒng)地介紹了飛行器航跡規(guī)劃的概念、理論及方法，內(nèi)容包括飛行器離線航跡規(guī)劃、飛行器在線航跡規(guī)劃、針對運動目標的飛行器航跡規(guī)劃、多飛行器協(xié)調(diào)航跡規(guī)劃以及飛行器任務(wù)調(diào)度等多個方面?！讹w行器航跡規(guī)劃》可作為導(dǎo)航與制導(dǎo)相關(guān)專業(yè)碩士、博士研究生的教學(xué)參考書，也可供飛行器航跡規(guī)劃相關(guān)科研工作者和工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 背景1.2 飛行器航跡規(guī)劃的基本要求1.3 常用的航跡規(guī)劃方法1.3.1 規(guī)劃空間表示方法1.3.2 航跡搜索算法1.4 當前航跡規(guī)劃研究中存在的問題1.5 飛行器任務(wù)分配問題1.6 本書的主要內(nèi)容及安排第2章 飛行器航跡規(guī)劃基本要素2.1 規(guī)劃空間的表示方法2.2 飛行航跡的表示方法2.3 飛行航跡的基本約束條件2.4 航跡評價2.4.1 影響航跡性能的主要因素2.4.2 代價函數(shù)的選取2.4.3 權(quán)系數(shù)的確定2.5 飛行器航跡規(guī)劃問題的數(shù)學(xué)描述第3章 飛行器離線航跡規(guī)劃方法3.1 基于稀疏A*搜索的飛行器航跡規(guī)劃方法3.1.1 航跡節(jié)點的擴展3.1.2 算法描述3.1.3 仿真實驗3.2 基于進化計算的飛行器航跡規(guī)劃方法3.2.1 進化計算簡介3.2.2 基因編碼方式3.2.3 航跡評價方法3.2.4 進化算子3.2.5 算法描述3.2.6 時間復(fù)雜性分析3.2.7 仿真實驗3.3 飛行器多航跡規(guī)劃3.3.1 多峰值函數(shù)優(yōu)化與進化算法3.3.2 K-均值聚類3.3.3 多種群進化算法3.3.4 基于進化計算的飛行器多航跡規(guī)劃算法描述3.3.5 仿真實驗第4章 飛行器在線航跡規(guī)劃方法4.1 飛行器在線航跡再規(guī)劃4.1.1 節(jié)點的擴展4.1.2 再規(guī)劃航跡代價的重新計算4.1.3 在線實時航跡再規(guī)劃方法4.1.4 仿真實驗4.2 針對靜止目標的飛行器在線航跡規(guī)劃方法4.2.1 動態(tài)開放環(huán)境中的實時搜索算法4.2.2 節(jié)點的擴展與啟發(fā)式信息4.2.3 算法描述4.2.4 算法收斂性證明4.2.5 算法改進4.2.6 仿真實驗4.3 針對運動目標的飛行器航跡規(guī)劃方法4.3.1 算法描述4.3.2 收斂性分析4.3.3 算法改進4.3.4 仿真實驗第5章 多飛行器協(xié)調(diào)航跡規(guī)劃方法.5.1 問題描述.5.2 飛行器協(xié)調(diào)航跡規(guī)劃的博弈論分析.5.2.1 多飛行器協(xié)調(diào)規(guī)劃的博弈格局5.2.2 飛行器編隊組織結(jié)構(gòu)5.3 協(xié)同進化計算簡介.5.4 多飛行器協(xié)調(diào)航跡規(guī)劃進化算法.5.4.1 算法結(jié)構(gòu)5.4.2 基于排擠的小生境進化5.4.3 航跡評價函數(shù)5.4.4 博弈——協(xié)同進化過程5.4.5 協(xié)調(diào)飛行中的航跡在線再規(guī)劃5.5 仿真實驗第6章 飛行器任務(wù)分配6.1 任務(wù)分配的數(shù)學(xué)模型6.1.1 飛行器任務(wù)分配問題描述6.1.2 飛行器任務(wù)分配中的約束條件6.1.3 飛行器任務(wù)分配的數(shù)學(xué)模型6.2 基于對稱群的鄰域構(gòu)造方法6.2.1 鄰域搜索中解的形式6.2.2 鄰域定義的基本形式6.2.3 鄰域構(gòu)造方法6.3 基于對稱群的混合搜索策略6.3.1 進化計算與禁忌搜索的結(jié)合6.3.2 群論與禁忌搜索的結(jié)合6.4 飛行器靜態(tài)任務(wù)分配算法6.4.1 編碼方式6.4.2 適應(yīng)值函數(shù)6.4.3 進化操作6.4.4 算法小結(jié)6.5 飛行器動態(tài)任務(wù)再分配6.5.1 任務(wù)再分配的一般策略6.5.2 任務(wù)再分配算法6.6 仿真實驗附錄A 博弈論基礎(chǔ)A.1 博弈論的基本概念A(yù).2 基本博弈模型附錄B 搜索算法的群論基礎(chǔ)B.1 群的基本概念B.2 確定性規(guī)劃方法與交換群B.3 啟發(fā)式算法與對稱群參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 緒論自古以來，人類一直向往能像鳥兒一樣在空中自由翱翔。1903年，萊特兄弟駕駛飛機成功飛上天空，使人類的這一夢想變成了現(xiàn)實。飛行器發(fā)展至今，從體積龐大、載重驚人的客貨運飛機，到速度高達數(shù)倍聲速、性能卓越的戰(zhàn)斗機，人類在飛行器領(lǐng)域的研究可謂碩果累累。隨著計算機、自動化、信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代飛行器技術(shù)也發(fā)生了巨大的變化，飛行器的種類越來越多，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，技術(shù)越來越密集。現(xiàn)代飛行任務(wù)的難度、危險度以及強度正在不斷增加，限于飛行員的生理和心理承受極限，單純依靠手工操縱完成復(fù)雜的飛行任務(wù)變得越來越困難。例如，在地形跟隨飛行過程中，視覺效應(yīng)會使飛行員精神高度緊張，對速度的控制容易誘發(fā)長周期振蕩。因此，如何最大程度地給飛行器賦予智能，實現(xiàn)自主導(dǎo)航與控制，深受國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。航跡規(guī)劃作為飛行器自主導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)之一，已成為目前一大研究熱點。所謂飛行器航跡規(guī)劃，就是在綜合考慮飛行器到達時間、油耗、威脅以及可飛行區(qū)域等因素的前提下，為飛行器規(guī)劃出最優(yōu)或者滿意的飛行航跡，以保證圓滿地完成飛行任務(wù)，并安全返回基地。航跡規(guī)劃技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于飛行器、水面艦艇、地面車輛以及機器人等的導(dǎo)航系統(tǒng)中（在艦艇、自主戰(zhàn)車、機器人等領(lǐng)域一般稱為路徑規(guī)劃，在本書將之統(tǒng)稱為航跡規(guī)劃）西。

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《飛行器航跡規(guī)劃》由國防工業(yè)出版社出版。

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