無(wú)人機(jī)協(xié)同路徑規(guī)劃

作者簡(jiǎn)介

作者：（英國(guó)）楚拉多斯（Antonios Tsourdos） （英國(guó)）懷特（Brian White）（英國(guó)）尚穆加韋爾（Madhavan Shanmugavel） 譯者：祝小平 周洲 王懌  Antonios Tsourdos于2007年被任命為克蘭菲爾德大學(xué)（Cranfield University）自主控制系統(tǒng)組的組長(zhǎng)。他于1999年在克蘭菲爾德大學(xué)獲得非線性魯棒飛行控制設(shè)計(jì)與分析的博士學(xué)位，是Stellar競(jìng)賽隊(duì)的成員之一，該競(jìng)賽隊(duì)是2008年英國(guó)國(guó)防部大挑戰(zhàn)（UK MoD Grand Challenge）的獲勝隊(duì)。他是“國(guó)際機(jī)械工程師協(xié)會(huì)期刊G分刊——航空航天工程”（Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part G：Journal of Aerospace Engineering）、“國(guó)際系統(tǒng)科學(xué)”（the International Journal of Systems Science）、“IEEE儀器與測(cè)量”（the IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）、“國(guó)際智能系統(tǒng)研究進(jìn)展，，（the International Journal on Advances in Intelligent Systems）和“MESA國(guó)際雜志，，（the International Journal Mathematics in Engineering，Science and Aerospace）等期刊的編委。此外，他還是英國(guó)ADS自主控制系統(tǒng)決策組和A&D KTN國(guó)家技術(shù)委員會(huì)在自主控制系統(tǒng)領(lǐng)域的成員，是國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)（IFAC）技術(shù)委員會(huì)在空天控制領(lǐng)域和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)領(lǐng)域的委員，是AIAA技術(shù)委員會(huì)關(guān)于制導(dǎo)、控制與導(dǎo)航領(lǐng)域的委員，是IEEE控制系統(tǒng)協(xié)會(huì)技術(shù)委員會(huì)在空天控制領(lǐng)域的委員（TCAC），是IEEE技術(shù)委員會(huì)在空間機(jī)器人和無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的成員。 祝小平，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，2009年長(zhǎng)江學(xué)者成就獎(jiǎng)獲得者，享受國(guó)家政府特殊津貼。1986年、1989年、1992年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)飛行力學(xué)專業(yè)，分別獲工學(xué)學(xué)士、工學(xué)碩士和工學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)任西北工業(yè)大學(xué)教授，無(wú)人機(jī)研究所總工程師，飛行器設(shè)計(jì)和導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制兩個(gè)學(xué)科博士生導(dǎo)師。主要從事無(wú)人機(jī)總體設(shè)計(jì)和制導(dǎo)控制與仿真研究工作。主持和參加無(wú)人機(jī)方面國(guó)家重點(diǎn)型號(hào)、國(guó)防預(yù)研、國(guó)家高技術(shù)863等項(xiàng)目20多項(xiàng)，獲國(guó)家和部級(jí)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)9項(xiàng)，其中國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國(guó)防科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)4項(xiàng)，獲國(guó)家發(fā)明專利8項(xiàng)，榮立國(guó)防科技工業(yè)裝備型號(hào)研制個(gè)人一等功1次，發(fā)表論著107篇，EI收錄39篇，先后人選國(guó)防科技工業(yè)“511人才工程”和國(guó)家級(jí)“新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程”，獲“國(guó)防科技工業(yè)有突出貢獻(xiàn)的中青年專家”、國(guó)防科技工業(yè)百名優(yōu)秀博士、碩士和“科學(xué)中國(guó)人（2009）年度人物”等榮譽(yù)稱號(hào)。主編《無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，2007年5月國(guó)防工業(yè)出版社出版。

書籍目錄

第1章引言 1.1路徑規(guī)劃公式 1.2路徑規(guī)劃的約束條件 1.2.1可飛行的路徑：滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)特性 1.2.2無(wú)人機(jī)的慣性運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系 1.2.3在路徑規(guī)劃中產(chǎn)生安全路徑 1.3協(xié)同路徑規(guī)劃與任務(wù)規(guī)劃 1.4路徑規(guī)劃——綜述 1.5路圖法 1.5.1可視圖法 1.5.2Vbronoi圖 1.6概率法 1.7勢(shì)場(chǎng)法 1.8單元分解法 1.9最優(yōu)控制 1.10最優(yōu)化技術(shù) 1.11路徑規(guī)劃的軌跡 1.12本書的主要內(nèi)容 參考文獻(xiàn) 第2章二維路徑規(guī)劃 2.1Dubins路徑 2.2采用解析幾何方法設(shè)計(jì)Dubins路徑 2.2.1Dubins路徑：外切線解 2.2.2Dubins路徑：內(nèi)切線解 2.3Dubins路徑的存在條件 2.4Dubins路徑的長(zhǎng)度 2.5采用微分幾何方法設(shè)計(jì)Dubins路徑 2.6曲率連續(xù)的路徑 2.7可飛行的回旋路徑產(chǎn)生方法 2.8可飛行的PH路徑產(chǎn)生方法（二維） 參考文獻(xiàn) 第3章三維路徑規(guī)劃 3.1采用微分幾何方法設(shè)計(jì)三維Dubins路徑 3.2三維Dubins路徑的長(zhǎng)度 3.3三維空間的：PH曲線路徑 3.3.1空間PH曲線 3.4可飛行PH路徑的設(shè)計(jì) 3.4.1可飛行路徑的設(shè)計(jì) 參考文獻(xiàn) 第4章碰撞回避 4.1障礙物回避研究 4.2避開(kāi)已知障礙物的算法 4.2.1障礙物與直線相交的檢測(cè)方法 4.2.2直線段與障礙物相交 4.2.3圓弧段與障礙物相交 4.3回避環(huán)境中未知的靜止障礙物 4.3.1安全圓算法 4.3.2中間航點(diǎn)算法 4.4算法的應(yīng)用 4.4.1Dubins路徑的修正 4.4.2Clothoid路徑的修正 4.4.3PH路徑修正 4.4.4三維空間內(nèi)的障礙回避 參考文獻(xiàn) 第5章路徑跟隨制導(dǎo) 5.1跟隨Dubins路徑 5.2線性制導(dǎo)算法 5.3非線性動(dòng)態(tài)逆制導(dǎo) 5.4回避動(dòng)態(tài)障礙物制導(dǎo) 5.4.1無(wú)人機(jī)的方向控制 5.4.2多碰撞解決方法 參考文獻(xiàn) 第6章多無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃 6.1問(wèn)題描述 6.2同時(shí)到達(dá)問(wèn)題 6.3階段一：產(chǎn)生可飛行路徑 6.4階段二：產(chǎn)生可行路徑 6.4.1最小分離距離法 6.4.2不相交路徑法 6.4.3偏移曲線法 6.5階段三：產(chǎn)生等長(zhǎng)度路徑 6.6產(chǎn)生多條路徑算法 6.7多無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃算法的應(yīng)用 6.7.1二維Dubins路徑 6.7.2二維Clothoid路徑 6.8二維：PH路徑 6.9三維：Dubins路徑 6.10三維PH路徑 參考文獻(xiàn) 附錄A微分幾何 A.1Frenet—Serret等式 A.2曲率和的撓率重要性 A.3運(yùn)動(dòng)與坐標(biāo)系 參考文獻(xiàn) 附錄BPythagoreanHodograph曲線 B.1PythagoreanHodograph曲線 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   插圖：   Kim和Khosla（1992）采用勢(shì)場(chǎng)法研究障礙物回避問(wèn)題，在該方法中將目標(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生的作用視為引力而障礙物產(chǎn)生的作用視為斥力。在多無(wú)人機(jī)的路徑規(guī)劃中，通過(guò)引導(dǎo)無(wú)人機(jī)飛往勢(shì)場(chǎng)最低點(diǎn)來(lái)避開(kāi)環(huán)境中的障礙物。Eun和Bang（2006）將障礙物視為圓形，并在它們周圍設(shè)有安全圓。 Zabarankin等人（2002）采用一種解析和離散優(yōu)化法在二維平面內(nèi)研究具有路徑長(zhǎng)度約束的最優(yōu)風(fēng)險(xiǎn)路徑問(wèn)題；Richards和How（2002）采用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法（MILP）研究碰撞回避問(wèn)題。以上這些方法產(chǎn)生的路徑均沒(méi)有考慮曲率約束，因此還需要對(duì)所產(chǎn)生的路徑進(jìn)行平滑處理得到可飛行路徑。Fujimori等人（2002）將回避圓用于解決多個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的障礙回避問(wèn)題，在該方法中兩個(gè)機(jī)器人在指定區(qū)域合作，而其他機(jī)器人在區(qū)域外等候。但這僅適用于機(jī)器人，因?yàn)闄C(jī)器人可以在關(guān)鍵點(diǎn)先停止運(yùn)動(dòng)然后轉(zhuǎn)彎，而這種方法并不適用無(wú)人機(jī)，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)不能停止運(yùn)動(dòng)，其飛行路徑必須考慮曲率約束。 三維空間內(nèi)考慮障礙回避的路徑規(guī)劃更加復(fù)雜，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)回避障礙物的運(yùn)動(dòng)方向有無(wú)窮多種。同樣，考慮其他約束，在三維空間內(nèi)產(chǎn)生最短路徑也更加復(fù)雜。Kitamura等人（1995，1996）提出了一種用八叉樹(shù)表示三維空間的方法，在該方法中空間被分解成了多個(gè)可搜索的區(qū)域或單元，通過(guò)將勢(shì)場(chǎng)應(yīng)用于八叉樹(shù)的每個(gè)單元可產(chǎn)生障礙回避路徑。 障礙回避問(wèn)題在不同的應(yīng)用領(lǐng)域都有研究：如飛行器被雷達(dá)、傳感器或地對(duì)空導(dǎo)彈（SAMs）探測(cè)的最小風(fēng)險(xiǎn)（Chan和Foddy（1985）；Hebert等人（2001）；Vian和More（1989）；Zabarankin等人（2002）），潛艇被傳感器探測(cè)的最小風(fēng)險(xiǎn)（Washburn l990），或搜索設(shè)備發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的最大概率（Assaf 和Sharlin—Bilitzky 1994；Benkoski等1991；Eagle和Yee 1990；Koopman1980；Stone 1975；Thomas和Eagle 1995；Washburn 1983）。障礙回避的另一個(gè)研究領(lǐng)域就是在民用航空中使用無(wú)人機(jī)，其碰撞回避算法等同于商用飛機(jī)可用的防撞需求。目前，已有的系統(tǒng)是“交通預(yù)警和防撞系統(tǒng)”（TCAS），這種告警系統(tǒng)是基于飛機(jī)上和地面上的傳感器提供的位置和高度信息實(shí)現(xiàn)的。Dowek等人（2001）和Zeitlin、McLaughlin（2007）討論了無(wú)人機(jī)在民用航空使用中的安全性問(wèn)題，Bicchi和Pallottino（2000）給出了一種針對(duì)空中交通問(wèn)題的協(xié)同航線方法。無(wú)人機(jī)與民用飛機(jī)能夠在同一個(gè)受控空域飛行，這是一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域并且需要進(jìn)一步研究發(fā)展，所研究的算法必須具有很好的魯棒性和可接受性。

編輯推薦

《無(wú)人機(jī)協(xié)同路徑規(guī)劃》適用于無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的科研和工程技術(shù)人員參考使用，也可作為無(wú)人機(jī)部隊(duì)相關(guān)人員參考使用，還可作高等院校飛行器設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制，計(jì)算機(jī)科學(xué)等專業(yè)的教材和參考書。

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