基于多无人机协同的应急救援航迹规划研究

发布时间：2020-07-12 09:18

【摘要】：近年来灾害频发,对人的生命和财产造成重大损失。而灾害发生后的应急救援往往由于灾情信息获取的困难,而难以准确快速的展开救援,导致灾害破坏性进一步加大。根据无人机的众多特性,可考虑用于应急救援任务中侦查灾情指导救援。如何快速的完成侦查救援任务,以及在已有的多台数量的无人机状况下协同进行,需要对多无人机的航迹进行规划。真实场景下如地震发生时,有某些地方报告指出存在生命源信号的可能,这些优先级较高的已知目标点需要优先完成遍历侦查;而其他地方虽没有报告指出生命信号,但需要执行覆盖式的侦查搜救任务来探查生命源。同样,对灾害源的侦查亦是如此。结合实际生活场景的需要,本文正是分别考虑了在已知目标点优先侦查和未知目标点区域覆盖的两种情况下的航迹规划问题,分别进行了分析、建模、算法改进以及仿真实验的过程。根据无人机的模型、多无人机的协同自组织系统、航迹规划目标,进行基本建模,通过比较一些智能算法的特性,如蚁群算法、遗传算法、神经网络算法、模拟退火算法、Voronoi图算法等,结合本文研究目标的分析,最终选用蚁群算法进行计算,并改进了信息素更新过程使更符合本文研究场景。将第一种情况转化为求解哈密顿路径问题,需要对所有已知目标完成遍历侦查,目标起点与目标终点无需重合,这与TSP(旅行商问题)相似从而结合分析,从求取哈密顿回路过渡到多条哈密顿路径,提出了虚拟节点方式和影子蚂蚁方式,使用Lingo和Matlab软件分别进行计算验证,并在不同数量的无人机情境下进行仿真实验,得到了预期效果。在第二种情况针对区域覆盖目标围绕对无人机协同完成任务进行了方案设计和算法研究,提出无人机性能指数划分区域的策略,先进行区域划分以最少的转弯次数即最短的飞行宽度作为切割区域依据,再进行子区域内扫描线式覆盖,最终在具体案例上使用实现了快速协同完成侦查目标区域的任务。
【学位授予单位】：江汉大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279;V249
【图文】：

示意图,安全区域,无人机,搜救

( ) ( )min max,i iv v v ∈ 限制：救援机在搜救过程中，为了便于搜索以及救援，将高度的限制导致会更大可能的与地面相撞，但飞的过高又此飞行高度应满足：min imaxh ≤ h ≤ h束条件搜救在提高搜救效率的同时为带来碰撞风险，如何避免风始终保持安全距离。如图 2.2 所示，区域 Zsafe即为安全范在 t 时刻的位置为 Si(t)，那么任意两架无人机在搜救时需( ) ( ) , , 1,2,..., ,i j safe Hs t s t ≥ Z i j = N i ≠ j

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那么任意两架无人机在搜救时需满足：( ) ( ) , , 1,2,..., ,i j safe Hs t s t ≥ Z i j = N i ≠ j(2-9)图 2.2 无人机的安全区域示意图2.3.3 探测器模型在应用场景下的任务中，为了了解受灾情况，当救援机进行水平直线飞行时，装备的对地探测器会进行范围式的检测以及拍照，并因此采取下一步规划。无人机的探测器对地探测范围如图 2.2 所示，可将其宽度表示为：

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图上的边皆可成为路径，然后利用一些搜索算法搜索路径对该初始路径优化和平滑处理得到最终规划路径。索算法Star）算法是一种常用启发式搜索算法，使用启发函数进行佳搜索节点的方式一直搜索下去。该算法具有搜索快、效路径搜索问题中。划问题建模问题需要考虑多方面的因素影响，共同实现航迹规划的目迹规划分为四个部分，其航迹规划结构框图如图 3.1 所示[地形信息、威胁源信息、障碍物信息等等，要把区域内的可执行下一步。无人机约束即为无人机性能约束因素。再同作用下指导进行航迹规划，规划出最优航迹。

【参考文献】