无人飞行器航迹规划方法综述_王维平.pdf

第28卷第2期飞行力学Vol.28No.2
2010年4月FLIGHTDYNAMICSApr.2010

无人飞行器航迹规划方法综述

王维平,刘娟
(国防科技大学信息系统与管理学院,湖南长沙410073)

摘要:首先从不同角度给出航迹规划的两种定义,把航迹规划问题拆分为规划空间、航迹表示、约束条件、目
标函数、规划算法五个子问题,提出了适用于各类无人飞行器航迹规划问题分析求解的过程模型。对规划空间构造方
法、目标函数、规划算法进行分类比较,并给出每种方法的优、缺点及适用范围,辅助规划人员针对具体需求快速明
确规划思路并选择算法。最后指出了航迹规划未来面临的新问题、新挑战。
关键词:飞行器;航迹规划;规划空间;目标函数
中图分类号:TJ76116文献标识码:A文章编号:100220853(2010)0220006205

引言的构造就是确定J的表达式。而约束条件的存在使
得解空间成为C空间的子集。
航迹规划(RoutePlanning)是一个综合性很强
的跨领域研究课题。自上世纪50年代以来,国内外
各领域的学者根据各自的学科背景和专业领域,提
出了多种航迹规划方法。然而,随着规划新方法、新
算法的不断提出,给规划设计人员也带来了困扰。
在众多的规划方法中,选择一种更适合当前需求的
方法,就必须准确把握航迹规划问题的本质,并对各
类规划方法有充分的理解和认识。
图1航迹规划问题描述
为把握航迹规划问题本质,充分利用现有研究112航迹规划方案设计
成果,根据飞行器特点和规划需求,快速分析规划相无论针对何种飞行器,航迹规划问题本身都包
关问题,选择合理的规划方法,本文提出了飞行器航含了一些相同的基本要素:航迹表示、规划空间建
迹规划分析求解的过程模型,对主流规划思想及相模、约束条件解析、目标函数确定、规划算法选取。
关算法进行分类比较,并给出各自的适用范围,最后航迹规划实际就是要依次解决下面6个问题(见图
根据国内外最新研究进展,指出了航迹规划未来面2),每个问题的答案构成了规划的整体解决方案。
临的新问题、新挑战。(1)明确规划类型
首先明确该规划问题属于轨迹规划,还是路径
1航迹规划问题分析
规划,这直接关系到下面的方法选择。轨迹规划
111航迹规划定义(TrajectoryPlanning)是基于控制论的优化,它需要
定义1:(从航迹规划问题需求角度)航迹规划考虑飞行器运动动力学约束,生成的轨迹是由运动
是指在给定的规划空间内,寻找飞行器从起始点到学、动力学微分方程积分得到的与时间相关的空间
达目标点且满足某些约束条件并使某项性能指标达曲线。路径规划(PathPlanning)是一种基于几何学
到最优的轨迹[1]。的空间搜索。它一般不考虑飞行器的运动学和动力
定义2:(从航迹规划问题内涵角度)航迹规划学约束,生成的飞行路径是与时间无关的静态空间
是一个有约束的泛函极值问题。如图1所示,泛函曲线。
J(x(t))即规划目标函数,泛函自变量函数x(t)为(2)规划航迹形式
航迹函数,航迹规划就是要寻找能够使J(x(t))最航迹的表达方式关系到如何建立几何空间到C
小的x(t)。容许函数集S为三维几何空间,航迹表空间(ConfigurationSpace)的映射。规划生成的航迹
示就是完成该三维空间到C空间的映射f,目标函数有两种形式:一是用飞行器运动学、动力学描述的连

收稿日期:2009208226;修订日期:2009211227
作者简介:王维平(19622),男(满族),辽宁金县人,教授/博导,博士,研究方向为体系工程与体系仿真;
刘娟(19802),女,山西太原人,博士研究生,研究方向为系统工程与建模仿真理论、飞行器航迹规划。
第2期王维平等.无人飞行器航迹规划方法综述7

续平滑航迹;二是用航迹点、航迹段(弧)表示的几目标函数即目标泛函J(x(t)),它是评价航迹
何航迹。前者往往包含了航迹的控制规律,后者仅性能好坏的标准,表示了航迹规划的最终目的。不
表征了航迹的空间形态。同规划往往有不同的侧重点和不同的目标函数形
式。有的希望飞行器以最短时间、距离到达目标,有
的希望飞行器能够保证最大生存概率并且具有较低
的能量控制代价等。现有的规划往往考虑多种代
价,并以“权重”的方式协调各种代价之间的相对重
要程度[2]。
(6)选择规划算法
根据前5个步骤对规划问题的分解,在确定规
划的整体解决方案后,就需要在众多的规划算法中
选择适当的算法进行求解。如果设计人员对搜索问
题比较了解,那么可以选择合适的算法来提高搜索
效率。
下面详细介绍航迹规划的几个关键子问题。

2规划空间的构造

航迹规划需要首先构造一个C空间(见图2)。
C空间实际上就是一种搜索空间,航迹规划就是要
在C空间中找到一条满足约束且使目标泛函最大
(