發(fā)布時(shí)間：2020-04-06 02:10

【摘要】：近年來(lái),無(wú)人機(jī)及其相關(guān)技術(shù)研究受到各個(gè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注,不僅在軍事領(lǐng)域具有戰(zhàn)略意義,如偵查、作戰(zhàn)等,在民用領(lǐng)域也愈發(fā)受到企業(yè)與愛(ài)好者的追捧。相對(duì)于單架無(wú)人機(jī),無(wú)人機(jī)編隊(duì)有著許多優(yōu)勢(shì),如可以降低無(wú)人機(jī)負(fù)載等。未來(lái)的無(wú)人機(jī)編隊(duì)需要兼?zhèn)渥灾餍�、靈活性、穩(wěn)定性,且能夠高成功率高效率地完成探測(cè)、物品運(yùn)送、甚至更復(fù)雜的任務(wù),滿(mǎn)足不同場(chǎng)景的實(shí)用需求。從降低成本的角度來(lái)講,無(wú)人機(jī)編隊(duì)相較單架無(wú)人機(jī)更有優(yōu)勢(shì),僅裝載少量計(jì)算設(shè)備與傳感器的無(wú)人機(jī)組成的大規(guī)模蜂群將有著廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)編隊(duì)任務(wù)包括了編隊(duì)、隊(duì)形變換、分裂重組等編隊(duì)算法的設(shè)計(jì),考慮到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中存在障礙物以及動(dòng)態(tài)威脅的問(wèn)題,無(wú)人機(jī)編隊(duì)方案設(shè)計(jì)中還需要結(jié)合避障方法的研究。為了設(shè)計(jì)一種具有避障能力和擴(kuò)展規(guī)模能力的自主編隊(duì),本文中提出了一種基于群集行為法的無(wú)人機(jī)分布式編隊(duì)方案。該方案中通過(guò)規(guī)定了無(wú)人機(jī)個(gè)體的基本行為,通過(guò)群體中按照運(yùn)動(dòng)規(guī)則互相影響最終產(chǎn)生群體共識(shí),結(jié)合虛擬領(lǐng)導(dǎo)的設(shè)置并利用人工勢(shì)場(chǎng)法進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)合基于行為法規(guī)則設(shè)計(jì)的思想與人工勢(shì)場(chǎng)法中勢(shì)場(chǎng)函數(shù)改變無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有更平滑的優(yōu)點(diǎn),該方案中無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)參照隊(duì)內(nèi)鄰居無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)使自身運(yùn)動(dòng)與群體達(dá)成一致,同時(shí)結(jié)合勢(shì)場(chǎng)函數(shù)對(duì)環(huán)境中感應(yīng)范圍內(nèi)障礙物自主避障。傳統(tǒng)的領(lǐng)航跟隨式編隊(duì)魯棒性差,領(lǐng)機(jī)掉線基本上會(huì)導(dǎo)致任務(wù)失敗,所以本文中采用了虛擬領(lǐng)導(dǎo)的方式引導(dǎo)無(wú)人機(jī)編隊(duì)的運(yùn)動(dòng)。針對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的具有動(dòng)態(tài)障礙物的情況,通過(guò)為無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)依據(jù)動(dòng)態(tài)障礙物計(jì)算虛擬速度障礙加強(qiáng)了避障成功率,并通過(guò)為編隊(duì)設(shè)計(jì)虛擬殼的方法,減少無(wú)人機(jī)脫隊(duì)的情況,增強(qiáng)編隊(duì)穩(wěn)定性。本文針對(duì)未來(lái)大規(guī)�？蓴U(kuò)展的自主編隊(duì)需求,創(chuàng)新性地結(jié)合了編隊(duì)算法與避障算法,形成無(wú)人機(jī)-障礙-虛擬領(lǐng)航點(diǎn)的框架,且針對(duì)有動(dòng)態(tài)障礙物的情景優(yōu)化了無(wú)人機(jī)行為策略。通過(guò)MATLAB仿真50架無(wú)人機(jī)在自由空間和靜、動(dòng)態(tài)障礙物環(huán)境下運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證了算法的有效性和穩(wěn)定性,初始狀態(tài)隨機(jī)的無(wú)人機(jī)能夠成功避開(kāi)障礙駛出障礙區(qū),并形成具有期望尺寸的編隊(duì)。
【圖文】：

圖 1-1 無(wú)人機(jī)集群示意圖究目的及意義單架無(wú)人機(jī)負(fù)載有限，感知角度單一，面對(duì)實(shí)際生活中各種復(fù)人機(jī)集群協(xié)作解決問(wèn)題。在較大規(guī)模的無(wú)人機(jī)編隊(duì)情境下，傳均存在一定的缺點(diǎn)，比如魯棒性差、擴(kuò)展性差等，為了保證數(shù)人機(jī)能夠自發(fā)形成編隊(duì)，且編隊(duì)具有一定的形態(tài)可控性，需要傳統(tǒng)方法進(jìn)行改進(jìn)�？紤]到無(wú)人機(jī)編隊(duì)對(duì)自主編隊(duì)、避免碰撞同環(huán)境的需求，，主要涉及的研究方面有編隊(duì)控制和障礙躲避。隊(duì)控制方面，主要包含了編隊(duì)形成和編隊(duì)保持的問(wèn)題。編隊(duì)形初始混亂的狀態(tài)下或者被外部環(huán)境擾亂后自主形成具有規(guī)律形，且過(guò)程中無(wú)人機(jī)之間不會(huì)產(chǎn)生碰撞；編隊(duì)保持指無(wú)人機(jī)群形由空間飛行過(guò)程中有盡量少的隊(duì)內(nèi)相對(duì)位置變化，具有穩(wěn)定的。礙躲避方面，要求無(wú)人機(jī)編隊(duì)對(duì)靜態(tài)障礙物與動(dòng)態(tài)威脅自主避

該規(guī)則中個(gè)體根據(jù)其附近的個(gè)體的速度做出反應(yīng)，不考慮其他個(gè)體的帶來(lái)的影響。這里速度是指一個(gè)包括了量值和方向的向量。這一行為規(guī)于群體中個(gè)體的行為互相影響有著重要的作用。分離規(guī)則中的避碰能力和動(dòng)態(tài)速度匹配有著互補(bǔ)的作用，這兩條規(guī)則保證了群體中個(gè)體可以在不碰撞的情況下自由空間內(nèi)共同向相同方向運(yùn)另一個(gè)角度來(lái)看，速度匹配也是避碰的一部分，或是可以看作一種避碰測(cè)，它使得個(gè)體保持相對(duì)速度達(dá)到最小。存在速度匹配的情況下，個(gè)體的距離基本保持不變，即分離規(guī)則使個(gè)體分離，而速度匹配規(guī)則保持了距。無(wú)人機(jī)場(chǎng)景下，速度匹配規(guī)則約束無(wú)人機(jī)根據(jù)感知范圍內(nèi)其他無(wú)人機(jī)度信息調(diào)節(jié)自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在每一時(shí)刻，無(wú)人機(jī)根據(jù)周?chē)鸁o(wú)人機(jī)速度信出一個(gè)平均速度矢量，并改變自身速度向該矢量收斂。在示意圖 2-8 中，20 個(gè)隨機(jī)位置、隨機(jī)朝向的個(gè)體，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后體間能夠達(dá)成一致，朝同一方向前進(jìn)。由此可知，具有一定智能的個(gè)體可以通過(guò)自發(fā)互相協(xié)調(diào)，最終產(chǎn)生群體行為。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：V279;V249

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