天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院人工智能學(xué)院 霍 丹

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)被廣泛用于多個(gè)領(lǐng)域，在各行業(yè)中扮演著十分重要的角色，有效的帶動(dòng)了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，目前對無人機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)成為社會(huì)各界學(xué)者研究的焦點(diǎn)。通過對有障礙區(qū)域的多無人機(jī)多目標(biāo)點(diǎn)路徑規(guī)劃進(jìn)行分析，以及對障礙下的無人機(jī)路徑優(yōu)化進(jìn)行探究，希望可以對無人機(jī)的應(yīng)用做出一些貢獻(xiàn)。當(dāng)前無人機(jī)被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，從無人機(jī)的發(fā)展前景來看，它將來肯定會(huì)成為主要發(fā)展的高新技術(shù)之一。因此，對于初入無人機(jī)行業(yè)的人員來說，掌握無人機(jī)技術(shù)和相關(guān)的理論已經(jīng)成為非常有必要的一件事，這有助于他們未來的職業(yè)發(fā)展。

1 有障礙區(qū)域的多無人機(jī)多目標(biāo)點(diǎn)路徑規(guī)劃

無人機(jī)的應(yīng)用為多個(gè)行業(yè)帶來了全新的發(fā)展路徑，無人機(jī)具有非常優(yōu)秀的應(yīng)用前景，使用過程中具有極低的安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，并且運(yùn)行耗費(fèi)的資源少，能夠敏捷快速的完成任務(wù)，目前我國在軍事和農(nóng)業(yè)中對無人機(jī)的運(yùn)用最為廣泛。在無人機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，如何進(jìn)行路徑規(guī)劃是無人機(jī)應(yīng)用的核心內(nèi)容，一般情況下，無人機(jī)的路徑規(guī)劃是在達(dá)到地點(diǎn)的同時(shí)最大化的減少資源和時(shí)間的使用。在有障礙物的情況下，無人機(jī)通過模擬人類躲避障礙的行為完成向目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，而對于存在多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的情況，人們將其轉(zhuǎn)化為旅行商問題進(jìn)行探究，提出了一種基于自組織映射網(wǎng)絡(luò)的算法，可是當(dāng)多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)和障礙同時(shí)存在，無人機(jī)的飛行往往不能按照所規(guī)劃的路徑完成，因此有障礙區(qū)域的多無人機(jī)多目標(biāo)點(diǎn)路徑規(guī)劃開始被人們大量研究，本文也是對其進(jìn)行了簡單的探索。在這當(dāng)中，想要讓無人機(jī)完成既定的目標(biāo)，難點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一個(gè)方面為如何得到無人機(jī)對多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的訪問順序和各目標(biāo)點(diǎn)之間存在的航向角，從而獲得無人機(jī)的正確運(yùn)行路徑；第二個(gè)方面為如何處理多目標(biāo)所產(chǎn)生的復(fù)雜路徑和障礙對無人機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑的約束。本文通過建立無人機(jī)模型，然后在研究中使用了遺傳算法和Dubins-RRT算法輔助研究。

2 無人機(jī)模型的建立

2.1 Dubins模型

在進(jìn)行無人機(jī)模型建立的過程中，采用了Dubins模型完成，這樣可以讓無人機(jī)路徑的規(guī)劃的正確性，并與對無人機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑的控制，極好的滿足了無人機(jī)所客觀存在的曲率約束。用于建立Dubins模型的公式如下所示：

在上述所示的公式當(dāng)中，xA所表示的意思為無人機(jī)在坐標(biāo)系下的橫坐標(biāo)，而yA則是表示的意思為無人機(jī)在坐標(biāo)系下的縱坐標(biāo)，θA所表示的意思為無人機(jī)的轉(zhuǎn)向角，vA所表示的意思為無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度。在這Dubins模型當(dāng)中可知，無人機(jī)多目標(biāo)點(diǎn)路徑規(guī)劃時(shí)，需要考慮的物理量十分復(fù)雜，想要完成有障礙區(qū)域的多無人機(jī)多目標(biāo)點(diǎn)路徑規(guī)劃是一項(xiàng)相當(dāng)復(fù)雜的任務(wù)，研究過程中需要無比的細(xì)心和認(rèn)真。

2.2 Dubins 路徑

所謂的Dubins 路徑指的是無人機(jī)在尚未運(yùn)行的初始狀態(tài)到飛行到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)過程中的最短路徑，國內(nèi)外有大量的文獻(xiàn)對其進(jìn)行了敘述，當(dāng)給無人機(jī)給定任意的初始狀態(tài)和目標(biāo)地點(diǎn)的Dubins狀態(tài)后，這時(shí)無人機(jī)的路徑存在六種最短的路徑，分別是RSR、LRL、LSL、RLR、LSR、RSL（R所代表的意義是右轉(zhuǎn)、L所代表的意義是左轉(zhuǎn)、S所代表的意義是直線飛行），想要得到Dubins 路徑的狀態(tài)，就需要對上述的六種種類的長度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到的最短路徑就是無人機(jī)的Dubins 路徑。

3 有障礙區(qū)域的多無人機(jī)多目標(biāo)點(diǎn)路徑規(guī)劃分析

3.1 無人機(jī)路徑規(guī)劃問題

在無人機(jī)飛行的控制中心有K輛無人機(jī)執(zhí)行飛行任務(wù)，所需要達(dá)到的目標(biāo)點(diǎn)為N個(gè)，在進(jìn)行合理的路徑安排后，無人機(jī)帶著所需裝載的貨物開始從控制中心飛行而出，在最大化的減少飛行成本的前提下，完成飛行任務(wù)后無人機(jī)再次回到控制中心。在無人機(jī)飛行的過程中，因?yàn)轱w行環(huán)境的勻速，無人機(jī)可能會(huì)遇到障礙，導(dǎo)致無人機(jī)不能從障礙區(qū)域飛過，在進(jìn)行路徑規(guī)劃過程中，需要避開這些不能正常飛過的區(qū)域。在進(jìn)行分析的過程中，將無人機(jī)的控制中心默認(rèn)為一個(gè)，并且所有的無人機(jī)的飛行起點(diǎn)全部在控制中心的同位置點(diǎn)，在完成飛行任務(wù)后回到控制中心的同位置點(diǎn)，同時(shí)每輛無人機(jī)的所裝載的貨物相同，所存在的障礙區(qū)域?qū)儆陟o態(tài)不會(huì)發(fā)生改變。

3.2 對路徑規(guī)劃問題的優(yōu)化方法

無人機(jī)路徑規(guī)劃過程中，受到多個(gè)約束條件的限制，問題十分的復(fù)雜，并且當(dāng)中所存在的變量并不規(guī)則，存在數(shù)學(xué)意義中的離散性，同時(shí)無人機(jī)Dubins 路徑并不單一，大多數(shù)情況下都存在組合性，因此想要對無人機(jī)路徑規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化，傳統(tǒng)的優(yōu)化算法不便于用來優(yōu)化該問題，所以在眾多優(yōu)化算法當(dāng)中，遺傳算法十分適用用來作為優(yōu)化算法。遺傳算法具有優(yōu)秀的自學(xué)習(xí)性，同時(shí)還具備強(qiáng)大的并行搜索能力，在研究分析當(dāng)中，適用遺傳算法得到優(yōu)化的無人機(jī)飛行路徑，同時(shí)能對在所得到的優(yōu)化路徑存在的靜態(tài)障礙進(jìn)行檢測，當(dāng)障礙約束不被滿足，則是通過Dubins-RRT進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到滿足約束的目的。

3.3 障礙區(qū)域檢測方法

在進(jìn)行障礙區(qū)域檢測研究分析的過程中，為了分析更加的清晰明了，對于只存在兩個(gè)狀態(tài)得到的路徑，將這種情況定義為基本Dubins路徑，而對于超過兩個(gè)狀態(tài)所得到的路徑，請其定義為復(fù)合Dubins路徑，這樣有助于對障礙區(qū)域進(jìn)行檢測，檢測中存在的變量的復(fù)雜度極大的降低，進(jìn)而降低了檢測的難度，這是因?yàn)榻?jīng)過這樣的設(shè)置，在進(jìn)行檢測時(shí)，只需要對每個(gè)基本Dubins路徑進(jìn)行檢測，而且由于基本Dubins路徑只存在兩個(gè)狀態(tài)，所以它都是由線段和弧組成，檢測時(shí)對每條線路和弧進(jìn)行檢測就行。

在對線段進(jìn)行檢測時(shí)，線段所在的直線經(jīng)過的區(qū)域和已知的障礙區(qū)域是否存在交點(diǎn)，這是首先需要進(jìn)行判斷的點(diǎn)，如果存在交點(diǎn)，那么就需要進(jìn)一步進(jìn)行判斷，看交點(diǎn)是否存在線段之中。在對弧進(jìn)行檢測時(shí)，首先是需要將弧所在的圓補(bǔ)全，然后對圓所占據(jù)的區(qū)域是否同已知的障礙區(qū)域存在交匯。

3.4 無人機(jī)路徑規(guī)劃調(diào)優(yōu)方法

在得到無人機(jī)飛行路徑的每一段基本Dubins路徑后，進(jìn)行了障礙區(qū)域的檢測，這樣就可以對無人機(jī)飛行路進(jìn)行重新規(guī)劃，這樣就可以得到無人機(jī)可正常安全飛行的路徑，這是無人機(jī)路徑規(guī)劃調(diào)優(yōu)的基本原理。人們在進(jìn)行無人機(jī)路徑規(guī)劃調(diào)優(yōu)的過程中，通常所用的算法為RRT算法，全稱為Dubins-RRT算法，這是一種速度較快的路徑規(guī)劃算法，可以在更短的時(shí)間內(nèi)得到無人機(jī)可以飛行的空間，也就是無人機(jī)飛行路徑不會(huì)同已知的障礙區(qū)域存在交點(diǎn)。

4 有障礙區(qū)域的多無人機(jī)多目標(biāo)點(diǎn)路徑規(guī)劃仿真案例

為了對有障礙區(qū)域的多無人機(jī)多目標(biāo)點(diǎn)路徑規(guī)劃進(jìn)一步的進(jìn)行分析研究，進(jìn)行了仿真案例，在這次仿真案例當(dāng)中，無人機(jī)控制中心和裝載的貨物已經(jīng)給定，并且給無人機(jī)所制定的分析目標(biāo)點(diǎn)為25個(gè)，仿真所得到的結(jié)果如圖1所示。

圖1 無人機(jī)飛行路徑

在圖1當(dāng)中，線條所代表的是無人機(jī)的飛行路徑，黑色圓所代表的是多個(gè)已經(jīng)存在的障礙區(qū)域。

總結(jié)：我國的軍事和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)o人機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了大范圍的運(yùn)用，因?yàn)檐娛潞娃r(nóng)業(yè)領(lǐng)域客觀存在的特性，使得無人機(jī)飛行的環(huán)境十分復(fù)雜，并且通常需要多輛無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)，還同時(shí)存在著多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，因此對有障礙區(qū)域的多無人機(jī)多目標(biāo)點(diǎn)路徑規(guī)劃進(jìn)行分析研究十分重要，對我國的經(jīng)濟(jì)軍事實(shí)力發(fā)展都有積極的意義。