無人機協(xié)同路徑規(guī)劃

作者簡介

作者：（英國）楚拉多斯（Antonios Tsourdos） （英國）懷特（Brian White）（英國）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（Cranfield University）自主控制系統(tǒng)組的組長。他于1999年在克蘭菲爾德大學獲得非線性魯棒飛行控制設計與分析的博士學位，是Stellar競賽隊的成員之一，該競賽隊是2008年英國國防部大挑戰(zhàn)（UK MoD Grand Challenge）的獲勝隊。他是“國際機械工程師協(xié)會期刊G分刊——航空航天工程”（Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part G：Journal of Aerospace Engineering）、“國際系統(tǒng)科學”（the International Journal of Systems Science）、“IEEE儀器與測量”（the IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement）、“國際智能系統(tǒng)研究進展，，（the International Journal on Advances in Intelligent Systems）和“MESA國際雜志，，（the International Journal Mathematics in Engineering，Science and Aerospace）等期刊的編委。此外，他還是英國ADS自主控制系統(tǒng)決策組和A&D KTN國家技術(shù)委員會在自主控制系統(tǒng)領域的成員，是國際自動控制聯(lián)合會（IFAC）技術(shù)委員會在空天控制領域和網(wǎng)絡系統(tǒng)領域的委員，是AIAA技術(shù)委員會關(guān)于制導、控制與導航領域的委員，是IEEE控制系統(tǒng)協(xié)會技術(shù)委員會在空天控制領域的委員（TCAC），是IEEE技術(shù)委員會在空間機器人和無人機領域的成員。 祝小平，工學博士，教授，博士生導師，2009年長江學者成就獎獲得者，享受國家政府特殊津貼。1986年、1989年、1992年畢業(yè)于西北工業(yè)大學飛行力學專業(yè)，分別獲工學學士、工學碩士和工學博士學位?，F(xiàn)任西北工業(yè)大學教授，無人機研究所總工程師，飛行器設計和導航、制導與控制兩個學科博士生導師。主要從事無人機總體設計和制導控制與仿真研究工作。主持和參加無人機方面國家重點型號、國防預研、國家高技術(shù)863等項目20多項，獲國家和部級科學技術(shù)獎9項，其中國家科技進步一等獎1項，國防科技進步一等獎4項，獲國家發(fā)明專利8項，榮立國防科技工業(yè)裝備型號研制個人一等功1次，發(fā)表論著107篇，EI收錄39篇，先后人選國防科技工業(yè)“511人才工程”和國家級“新世紀百千萬人才工程”，獲“國防科技工業(yè)有突出貢獻的中青年專家”、國防科技工業(yè)百名優(yōu)秀博士、碩士和“科學中國人（2009）年度人物”等榮譽稱號。主編《無人機設計手冊》，2007年5月國防工業(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：滿足運動學特性 1.2.2無人機的慣性運動坐標系 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勢場法 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 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計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路徑的長度 2.5采用微分幾何方法設計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 第3章三維路徑規(guī)劃 3.1采用微分幾何方法設計三維Dubins路徑 3.2三維Dubins路徑的長度 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路徑的設計 3.4.1可飛行路徑的設計 參考文獻 第4章碰撞回避 4.1障礙物回避研究 4.2避開已知障礙物的算法 4.2.1障礙物與直線相交的檢測方法 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中間航點算法 4.4算法的應用 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 第5章路徑跟隨制導 5.1跟隨Dubins路徑 5.2線性制導算法 5.3非線性動態(tài)逆制導 5.4回避動態(tài)障礙物制導 5.4.1無人機的方向控制 5.4.2多碰撞解決方法 參考文獻 第6章多無人機路徑規(guī)劃 6.1問題描述 6.2同時到達問題 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)生等長度路徑 6.6產(chǎn)生多條路徑算法 6.7多無人機路徑規(guī)劃算法的應用 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 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運動與坐標系 參考文獻 附錄BPythagoreanHodograph曲線 B.1PythagoreanHodograph曲線 參考文獻

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   Kim和Khosla（1992）采用勢場法研究障礙物回避問題，在該方法中將目標點產(chǎn)生的作用視為引力而障礙物產(chǎn)生的作用視為斥力。在多無人機的路徑規(guī)劃中，通過引導無人機飛往勢場最低點來避開環(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)研究具有路徑長度約束的最優(yōu)風險路徑問題；Richards和How（2002）采用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法（MILP）研究碰撞回避問題。以上這些方法產(chǎn)生的路徑均沒有考慮曲率約束，因此還需要對所產(chǎn)生的路徑進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移動機器人的障礙回避問題，在該方法中兩個機器人在指定區(qū)域合作，而其他機器人在區(qū)域外等候。但這僅適用于機器人，因為機器人可以在關(guān)鍵點先停止運動然后轉(zhuǎn)彎，而這種方法并不適用無人機，因為無人機不能停止運動，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)劃更加復雜，因為無人機回避障礙物的運動方向有無窮多種。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雜。Kitamura等人（1995，1996）提出了一種用八叉樹表示三維空間的方法，在該方法中空間被分解成了多個可搜索的區(qū)域或單元，通過將勢場應用于八叉樹的每個單元可產(chǎn)生障礙回避路徑。 障礙回避問題在不同的應用領域都有研究：如飛行器被雷達、傳感器或地對空導彈（SAMs）探測的最小風險（Chan和Foddy（1985）；Hebert等人（2001）；Vian和More（1989）；Zabarankin等人（2002）），潛艇被傳感器探測的最小風險（Washburn l990），或搜索設備發(fā)現(xiàn)目標的最大概率（Assaf 和Sharlin—Bilitzky 1994；Benkoski等1991；Eagle和Yee 1990；Koopman1980；Stone 1975；Thomas和Eagle 1995；Washburn 1983）。障礙回避的另一個研究領域就是在民用航空中使用無人機，其碰撞回避算法等同于商用飛機可用的防撞需求。目前，已有的系統(tǒng)是“交通預警和防撞系統(tǒng)”（TCAS），這種告警系統(tǒng)是基于飛機上和地面上的傳感器提供的位置和高度信息實現(xiàn)的。Dowek等人（2001）和Zeitlin、McLaughlin（2007）討論了無人機在民用航空使用中的安全性問題，Bicchi和Pallottino（2000）給出了一種針對空中交通問題的協(xié)同航線方法。無人機與民用飛機能夠在同一個受控空域飛行，這是一個非?；钴S的研究領域并且需要進一步研究發(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

《無人機協(xié)同路徑規(guī)劃》適用于無人機領域的科研和工程技術(shù)人員參考使用，也可作為無人機部隊相關(guān)人員參考使用，還可作高等院校飛行器設計、自動控制，計算機科學等專業(yè)的教材和參考書。

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