一種基于文化算法的動態(tài)環(huán)境下航跡規(guī)劃方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種基于文化算法的動態(tài)環(huán)境下航跡規(guī)劃方法，涉及在線航跡規(guī)劃技術，該方法特點是：(1)使用在線航跡規(guī)劃方法規(guī)劃出可達航跡。(2)提取可達航跡中特征節(jié)點為知識。(3)使用知識確定規(guī)劃空間，在規(guī)劃空間內使用離線規(guī)劃方法規(guī)劃最優(yōu)航跡。(4)針對環(huán)境改變，使用在線航跡規(guī)劃方法對航跡中不可達部分重新進行規(guī)劃，并使用知識進行指導尋優(yōu)。本發(fā)明的優(yōu)點是：在動態(tài)環(huán)境下，較現(xiàn)有在線航跡規(guī)劃方法可以更快速規(guī)劃出飛行航跡，同時所得航跡為最優(yōu)航跡，增強了飛行器對突發(fā)情況的反應能力，并進一步減小了飛行過程中遇到突發(fā)情況的概率。
【專利說明】
一種基于文化算法的動態(tài)環(huán)境下航跡規(guī)劃方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于無人機技術領域，涉及一種用于解決無人飛行器航跡規(guī)劃問題的文化算法，具體為一種基于文化算法的動態(tài)環(huán)境下航跡規(guī)劃方法。
【背景技術】
[0002]航跡規(guī)劃需要解決的問題是找到一條可以使飛行器快速安全地完成任務的航跡?，F(xiàn)有的方法可以確保在環(huán)境等影響因素已知的情況下，規(guī)劃出一條可行航跡。但真實世界的環(huán)境在不斷改變之中，無人飛行器飛行時會遇到威脅的改變、目標點的移動等問題，此時需要根據(jù)實時情況對航跡進行相應改變。
[0003]為了使無人飛行器能在飛行過程中對環(huán)境改變做出及時響應，現(xiàn)有的在線航跡規(guī)劃方法，如D*算法等，旨在快速地規(guī)劃出一條可行的安全航跡，該航跡往往不是最優(yōu)航跡。最優(yōu)航跡可以縮短無人飛行器飛行路程的長度，即縮短了飛行器飛行任務的用時，在此基礎上進一步降低了遇到突發(fā)事件的概率。現(xiàn)有基于進化計算的航跡規(guī)劃方法均為離線航跡規(guī)劃方法，因進化計算為隨機搜索算法，需要在整個規(guī)劃空間內尋優(yōu)，雖然能尋找到最優(yōu)航跡，但耗時長，不能滿足實時規(guī)劃的要求。
[0004]為同時滿足航跡規(guī)劃問題的實時性與動態(tài)適應性，結合文化算法的特性，提出一種用于解決無人飛行器航跡規(guī)劃問題的文化算法，該算法具有區(qū)別于傳統(tǒng)文化算法的知識形式、不同的知識更新與影響。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明目的提供一種基于文化算法的動態(tài)環(huán)境下航跡規(guī)劃方法，能在實時更新航跡的同時尋找到最優(yōu)航跡;能進一步提升在線航跡規(guī)劃的速度，更有助于飛行器對環(huán)境改變做出及時響應。
[0006]為了解決上述的技術問題，本發(fā)明提出一種基于文化算法的動態(tài)環(huán)境下航跡規(guī)劃方法，其包括:獲取地圖信息以及飛行任務信息，無人飛行器航跡規(guī)劃，其包括:
生成初始可行航跡；
對可行航跡進行知識提取，提取初始航跡特征節(jié)點信息作為知識；
使用知識影響航跡規(guī)劃，以知識確定尋優(yōu)空間，在尋優(yōu)空間內尋找到優(yōu)秀節(jié)點組成最優(yōu)航跡，飛行器沿此最優(yōu)航跡飛行；
當環(huán)境改變影響到當前最優(yōu)航跡時，僅對受影響部分重新產生可行子航跡，將新的子航跡替換至原航跡中，并對完整航跡進行知識提取，以此完成知識的更新，使用新知識確定空間并規(guī)劃最優(yōu)航跡，直至飛行器到達目標處。
[0007]本發(fā)明所述提取可行航跡中特征節(jié)點信息為知識，使用知識確定規(guī)劃空間，在環(huán)境改變時，以新的可行航跡中特征節(jié)點更新知識。
[0008]本發(fā)明所述環(huán)境改變影響飛行航跡時，僅對受環(huán)境影響部分重新規(guī)劃可行航跡、更新知識，再在新知識下，完成最優(yōu)航跡規(guī)劃。
[0009]本發(fā)明的有益效果:相比現(xiàn)有的航跡規(guī)劃方法，本發(fā)明通過使用文化算法的框架，結合不同航跡規(guī)劃方法各自的優(yōu)點，提出一種新的在線航跡規(guī)劃方法，使得該方法能在規(guī)劃出最優(yōu)航跡的同時兼顧實時性要求。相比現(xiàn)有航跡規(guī)劃方法，本發(fā)明規(guī)劃時長更短、規(guī)劃所得航跡更優(yōu)。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明威脅概率地圖。
[0011 ]圖2是本發(fā)明等效數(shù)字地圖。
[0012]圖3是本發(fā)明知識確定尋優(yōu)空間。
[0013]圖4是本發(fā)明種群空間內尋優(yōu)所使用的各算子。
[0014]a為刪除算子前，b為刪除算子后，c為擾動算子前，d為擾動算子后，e為插入算子前，f為插入算子后，g為交叉算子前，h為交叉算子后。
[0015]圖5是本發(fā)明D*算法產生初始航跡。
[0016]圖6是本發(fā)明形勢知識保留的航跡。
[0017]圖7是本發(fā)明尋優(yōu)所得最佳航跡。
[0018]圖8是本發(fā)明目標移動一段距離時，由當前位置規(guī)劃出的最優(yōu)航跡。
[0019]圖9是本發(fā)明目標移動前后，飛行器最初規(guī)劃航跡與飛行器實際飛行航跡對比。
[0020]圖10是本發(fā)明威脅發(fā)生移動時，由當前位置規(guī)劃出的最優(yōu)航跡。
[0021]圖11是本發(fā)明威脅移動前后，飛行器最初規(guī)劃航跡與飛行器實際飛行航跡對比。
【具體實施方式】
[0022]以下將結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作詳細說明:
本發(fā)明提出一種基于文化算法那的動態(tài)環(huán)境下解決無人飛行器航跡規(guī)劃問題的方法，具體步驟如下:
步驟1.獲取地圖信息以及飛行任務信息
載入環(huán)境地圖以及如圖1的威脅概率地圖，生成如圖2的等效數(shù)字地圖；獲取飛行器起始位置對應地圖坐標以及目標點位置對應地圖坐標;確定飛行器最大俯仰角以及偏航角，飛行器飛行速度、目標點移動速度等信息。
[0023]步驟2.生成初始可行航跡；
使用在線航跡規(guī)劃方法D*算法生成一條由飛行器位置至目標點位置的可行航跡Linel，如圖5所示。
[0024]步驟3.知識提取；
刪去Linel中冗余節(jié)點得到由特征節(jié)點組成的航跡線Line2，保留特征節(jié)點位置信息以及節(jié)點可變化范圍，知識提取及尋優(yōu)空間確定示意如圖3所示，實例中由Line2確定尋優(yōu)空間，如圖6所示。
[0025]步驟4.優(yōu)化所得航跡；
在確定的空間范圍內，以Line2為基礎，使用離線航跡規(guī)劃方法遺傳算法對航跡進行優(yōu)化，采用如圖4所示的交叉算子進行航跡尋優(yōu)，尋找到最優(yōu)航跡Line3，如圖7所示。
[0026]步驟5.飛行器動態(tài)調整飛行器沿Line3進行飛行，當遇到環(huán)境改變對當前航跡產生影響時，做出相應調整: 步驟5.1目標移動
目標發(fā)生移動，以目標點原始位置為起始點，目標點當前位置為終止點，使用D*算法產生可行子航跡，將子航跡添加至Line3中，通過步驟3、步驟4對完整航跡進行尋優(yōu)產生新的可行航跡Line4，飛行器沿此航跡飛行直至到達目標處終止飛行，在飛行過程中，若遇到環(huán)境改變，則重復步驟5;飛行中，目標發(fā)生移動得到航跡如圖8所示，遇目標移動，飛行器前后航跡對比如圖9所示。
[0027]步驟5.2威脅移動
威脅移動影響到當前航跡，則提取受影響的子航跡兩端節(jié)點，以兩節(jié)點分別為起點和終點，使用D*算法產生可行子航跡，將子航跡替換Line3中受影響子航跡，通過步驟3、步驟4對完整航跡進行尋優(yōu)產生新的可行航跡Linef，飛行器沿此航跡飛行直至到達目標處終止飛行，在飛行過程中，若遇到環(huán)境改變，則重復步驟5;飛行中，環(huán)境移動得到航跡如圖10所示，遇環(huán)境移動，飛行器前后航跡對比如圖11所示。
【主權項】
1.一種基于文化算法的動態(tài)環(huán)境下航跡規(guī)劃方法，其包括:獲取地圖信息以及飛行任務信息，無人飛行器航跡規(guī)劃，所述無人飛行器航跡規(guī)劃包括: 生成初始可行航跡； 對可行航跡進行知識提取，提取初始航跡中對航跡斜率改變較大的特征節(jié)點信息作為知識； 使用知識影響航跡規(guī)劃，以知識確定尋優(yōu)空間，在尋優(yōu)空間內尋找到優(yōu)秀節(jié)點組成最優(yōu)航跡，飛行器沿此最優(yōu)航跡飛行； 當環(huán)境改變影響到當前最優(yōu)航跡時，僅對受影響部分重新產生可行子航跡，將新的子航跡替換至原航跡中，并對完整航跡進行知識提取，以此完成知識的更新，使用新知識確定空間并規(guī)劃最優(yōu)航跡，直至飛行器到達目標處。2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于文化算法的動態(tài)環(huán)境下航跡規(guī)劃方法，其特征在于:提取可行航跡中對航跡斜率改變明顯的特征節(jié)點坐標信息為形勢知識，特征節(jié)點可變化范圍為規(guī)范知識。3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于文化算法的動態(tài)環(huán)境下航跡規(guī)劃方法，其特征在于:將以兩兩形勢知識點為對角線所確定的區(qū)域，與以規(guī)范知識確定的區(qū)域為并集，確定航跡規(guī)劃空間。4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于文化算法的動態(tài)環(huán)境下航跡規(guī)劃方法，其特征在于:對初始航跡優(yōu)化所產生航跡的節(jié)點，僅在規(guī)劃空間內生成。5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于文化算法的動態(tài)環(huán)境下航跡規(guī)劃方法，其特征在于:環(huán)境改變影響飛行航跡時，僅對受環(huán)境影響部分重新規(guī)劃可行航跡，并替換至原航跡中。6.根據(jù)權利要求1所述的一種基于文化算法的動態(tài)環(huán)境下航跡規(guī)劃方法，其特征在于:環(huán)境改變影響飛行時，對新規(guī)劃所得航跡進行知識提取，并更新尋優(yōu)空間。
【文檔編號】G01C21/20GK105865457SQ201610422062
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】陳昊, 黎明, 李軍華, 王 華, 許春蕾, 周璐, 江樂旗
【申請人】南昌航空大學