地震场景下无人机路径规划设计.pdf
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1、引用格式:朱明月陈铖吴佳骏等.地震场景下无人机路径规划设计.航空计算技术():.():.地震场景下无人机路径规划设计朱明月陈 铖吴佳骏羊 钊(南京航空航天大学江苏 南京)摘 要:无人机路径规划技术为无人机自主飞行和低空交通管理提供了技术支持也是无人机可以实现抗震救灾的重要前提 面向地震场景结合灾区环境以及相关需求研究地震灾情的无人机救灾最优路径规划方法 搭建地震受灾环境设计模拟真实情况的地震场景 选用蚁群算法中的三维路径规划算法搜索从出发点到疑似点的最优路径 通过仿真验证了模型的可行性和有效性关键词:地震场景无人机路径规划多目标规划多目标蚁群算法中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.
2、:引言随着现代科技的不断进步无人机技术在军事方面得到了广泛的应用而自然灾害往往具有突发性、瞬时性、不确定性仅靠传统的人工救援方式无法有效且安全地解决救援问题 同时卫星遥感与航空遥感在获取灾情时受到时空分辨力、外界环境以及使用成本等因素的影响其在救援方面受到一定限制在面对地震导致的地面交通瘫痪问题时无人机可以在第一时间前往危险未知领域进行侦察与勘测快速并且大规模运输紧急物资对灾难发生场所大面积进行药物喷洒以高效完成病菌灭杀作业等 与有人机相比无人机具有建造使用成本低、地勤保障要求低、安全风险系数小、设备搭载多样化及适配性好等优点 目前我国对无人机的研究主要专注于无人机军用化在无人机抗震救灾的问题
3、上依然有一些空缺无人机路径规划是无人机自主飞行、无人机交通管理的关键技术也是无人机进行抗震救灾的必要前提 无人机路径规划指综合无人机自身飞行性能约束结合飞行环境中的地形、天气等外部因素为无人机规划出一条从起始点到终点的安全飞行路径 其中路径规划主要包括三个部分:一是针对震区的实际情况对路径进行初步规划二是利用优化搜索算法对收稿日期:修订日期:基金项目:国家自然科学基金项目资助()作者简介:朱明月()女安徽六安人第 卷 第 期航 空 计 算 技 术.年 月 .航路进行进一步的优化确定出最优路径三是对其进行路径平滑处理 在路径规划算法方面主要是对各类智能算法(如 算法、遗传算法、蚁群算法、粒子群算
4、法等)的改进应用并且在具体运用中要根据不同的特点将各类算法进行混合 利用无人驾驶飞机的路径规划方法可以迅速而有效地开展针对震后的救援行动无人机遥感系统()是把无人机和遥感技术结合在一起它是一种以无人机为平台以各种成像与非成像传感器为主要载荷获取遥感图像、视频等数据的无人航空遥感与摄影测量系统 无人机巡航侦察灾害救援现场能够对灾区实现全覆盖、无死角的巡视侦察实时为指挥中心提供细致的影像数据有利于合理布置作战任务降低对救援人员受伤的可能性指挥中心收到救援任务能够及时设置可疑点多可疑点经过蚁群算法串联寻找最优路径 无人机逐一避障排查回传精准度更高的图像为救援任务的统筹和受灾情况的分析提供了更加精准的
5、参考依据同时该路径规划技术可以应用于心理疏导无人机搭载喊话设备对受困人员及安置点受灾群众进行心理疏导对于震后应激反应者适时给予心理干预有效避免悲剧的酿成其次无人机搭载高清红外变焦云台相机执行人员搜救任务探测到被困人员时能够实时回传地面控制端锁定所述位置及时开展救援同时无人机搭载运输负载装置可将少量物资运到指定地点提供基本物资保障作用 精确的对点路径规划为无人机服务于地震场景提供了重要理论基础给无人机在地震场景下的运用提供了可能性本文对无人机抗震救灾的任务执行进行研究针对三维场景下无人机抗震救灾的路径规划问题进行探究相关研究对无人机面对地震场景的路径规划有积极作用 问题描述本文在地震环境下进行无
6、人机路径规划 在地震场景下建筑物受到严重损毁但大多数建筑物并不会完全倒塌因此将损毁建筑物作为障碍物并将安全距离计算入障碍物范围内将实际障碍物的最大外接长方体设为障碍物保护区无人机路径不可穿过障碍物保护区否则将产生碰撞则该规划路径不可行 该假设将实际中不规则的障碍物转化为规则长方体确保规划路径能够满足避障要求同时降低了整体路径规划难度 由于安全距离已经算入障碍物中则将无人机抽象为质点以此对无人机进行路径规划 路径规划建模基于搭建的地震仿真环境构建无人机路径规划模型 首先选定若干个路径点即无人机需要经过的点设置中间路径点坐标为()其中()将该模型抽象为 问题从出发点开始经过所有路径点后回到出发点考
7、虑如下目标函数以及约束条件.目标函数定义无人机各路径点之间的最短路径长度之和为以此衡量无人机的运行效率 ()().约束条件地震环境中障碍物众多在无人机避障时应考虑避障要求:模型 实际 安全距离()即在考虑避障时将无人机的安全距离划入障碍物的模型碰撞体积中模型表示在数学模型中建筑物的宽度实际表示实际情况下建筑物的宽度安全距离表示无人机与障碍物之间的安全距离 蚁群算法求解无人机路径规划模型本文所提出的模型包含运行效率和安全风险两部分其中运行效率是指无人机在恒定速率的情况下经过所有路径点所用的运行时间安全风险是指无人机在飞行过程中保证无人机的安全和性能 本文采用栅格法对无人机三维路径规划空间进行建模
8、以()为坐标原点竖直向上方向为 轴正方向 轴正方向为正东方向其中 的平面规定为地面 为便于进行规划路径将障碍建筑物抽象为长方体采用空间中两点坐标来确定障碍物长方体的位置其中规定一个点的 坐标为 即建筑物从地面建筑而非悬空无人机抽象为栅格坐标系中的一个点路径点也同理抽象为栅格坐标系中的一个点依照国际惯例安全风险主要指的是地震场景下无人机躲避障碍物时的限制条件主要指无人机安全间隔 无人机安全间隔是预防无人驾驶航空器危险接近或是空中相撞而建立的飞行间隔标准 在此前提条件下无人机安全间隔和碰撞风险两者具有紧密的联系 本文只将碰撞概率作为无人机碰撞风险的考虑对象 由于不同型号的无人机面对间隔具有的碰撞风
9、险(碰撞概率)是不同的通过给定的碰撞风险水平(安全目标水平)可反向定义无人机安全间隔如图 所示 当无人机满足安全间隔要求时则判断其在飞行安全目标水平中 年 月朱明月 等:地震场景下无人机路径规划设计 由于间隔对象不同无人机安全间隔有多种可能性常见的有无人机与有人机、无人机、障碍物/建筑物之间的安全间隔、无人机与各种恶劣天气、飞行禁区之间的安全间隔等 而本文依照地震场景仅考虑 架无人机在自由空域与建筑物之间的安全距离图 基于碰撞概率的无人机安全间隔定义示意图.蚁群算法求解原理蚁群算法通过两个方法求解路径规划问题一是引入解集合()来储存每次迭代后求得的路径长度()是关于时间 的函数每次迭代都会比较
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