面向移動目標追蹤的多無人機協(xié)同航跡規(guī)劃及任務(wù)分配

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1、國家自然科學(xué)基金Ｎｏ．６１７７３２７９天津大學(xué)碩士學(xué)位論文面向移動目標追蹤的多無人機協(xié)同航跡規(guī)劃及任務(wù)分配ＭｕｌｔｉｌｅＵＡＶｃｏｏｅｒａｔｉｖｅａｔｈｌａｎｎｉｎｐｐｐｐｇａｎｄｔａｓｋａｌｌｏｃａｔｉｏｎｆｏｒｔｒａｃｋｉｎｍｏｖｉｎｇｇｔａｒｅｔｓｇ學(xué)科專業(yè)：控制科學(xué)與工程作者姓名：楊娜指導(dǎo)教師：胡超芳副教授天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院二零一七年十一月獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作和取得

2、的研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研宄成果，也不包含為獲得天津大學(xué)或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料一。與我同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明并表示了謝意。學(xué)位論文作者簽名：簽字曰期：＞；ｒ年４月今曰＾ｊ學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解天津大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特桴權(quán)天津大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存

3、、匯編以供査閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。（保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明）學(xué)位論文作者簽名：導(dǎo)師簽名：簽字日期：年丨＞月午日簽字日期：年／＞月４日－１摘要隨著航空科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在臟亂、惡劣、危險的作業(yè)環(huán)境中無人機得到了廣泛的應(yīng)用。在無人機的很多應(yīng)用中，如城市追蹤、森林救援、軍事打擊等，都包含了目標追蹤問題。由于飛行環(huán)境復(fù)雜，約束條件多，單架無人機不足以實現(xiàn)對目標的持續(xù)追蹤，因此需要多無人機協(xié)作以持續(xù)、精確的追蹤目標

4、。由此，多無人機協(xié)同追蹤地面移動目標的航跡規(guī)劃及任務(wù)分配問題引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。無人機航跡規(guī)劃取決于任務(wù)分配結(jié)果，而任務(wù)分配過程中的指標函數(shù)與無人機的航跡規(guī)劃有關(guān)，兩者相互影響，相互制約。因此，本文以復(fù)雜的城市環(huán)境為背景，以實現(xiàn)目標協(xié)同追蹤為目的，提出了面向移動目標追蹤的多無人機協(xié)同航跡規(guī)劃及任務(wù)分配方法。針對帶有優(yōu)先級約束的多指標航跡規(guī)劃問題展開研究，首先，考慮城市環(huán)境中建筑物對無人機視線遮擋、無人機控制輸入和傳感器能量消耗等因素，以目標覆蓋度、控制輸入代價和開

5、關(guān)量形式的傳感器能耗為指標函數(shù)，將多無人機協(xié)同追蹤問題轉(zhuǎn)化為多指標規(guī)劃問題；然后，基于分布式預(yù)測控制框架，利用每架無人機未來有限時域內(nèi)的預(yù)測狀態(tài)，構(gòu)建多無人機之間避碰約束，并結(jié)合無人機自，形成分布式協(xié)同航跡規(guī)劃模型，針對多身的最小轉(zhuǎn)彎半徑等約束；最后個優(yōu)化指標的不同重要性等級要求，利用模糊優(yōu)化思想將指標模糊化，并以更重要指標具有更重要滿意度為原則，將不同指標間優(yōu)先級關(guān)系表示為松弛滿意度序，通過在線求解，實時獲得有限時域內(nèi)每架無人機的局部航跡。考慮無人機實際飛行過程中，目標運動

6、狀態(tài)未知的情況，通過擴展卡爾曼濾波和概率濾波相結(jié)合的方法，對目標的運動狀態(tài)進行估計與預(yù)測。當(dāng)目標沿道路直線運動時，利用擴展卡爾曼濾波對目標狀態(tài)進行估計與預(yù)測；當(dāng)目標沿道路轉(zhuǎn)彎時，利用概率濾波對目標狀態(tài)進行估計與預(yù)測。以目標估計與預(yù)測狀態(tài)為基礎(chǔ)，。為無人機的實時協(xié)同航跡規(guī)劃提供可靠信息，實現(xiàn)對移動目標的持續(xù)追蹤一考慮多無人機協(xié)同追蹤多目標的情況，為保證追蹤系統(tǒng)滿足每時刻每個目一標至少被架無人機追蹤，且每架無人機都執(zhí)行追蹤任務(wù)的任務(wù)要求，對多無人機協(xié)同航跡規(guī)劃及任務(wù)分配問題展開研

7、宄。首先，將協(xié)同追蹤多目標問題轉(zhuǎn)化成一一－體個復(fù)雜的０１混合整數(shù)規(guī)劃問題，然后結(jié)合粒子群算法給出了分層求解和化求解兩種方法：分層求解，即首先利用協(xié)同航跡規(guī)劃方法優(yōu)化航跡，然后利用一體化求解粒子群算法實時優(yōu)化變量０和１，進行任務(wù)分配，即任務(wù)分配與航；跡規(guī)劃同時進行求解。粒子群算法不僅優(yōu)化變量０和１，還要同時優(yōu)化協(xié)同航跡，Ｉ結(jié)合城市道路背景一，利用事件觸發(fā)的思想，設(shè)計城市道路事件觸發(fā)機制，縮短體化求解的整體時間，實現(xiàn)任務(wù)分配。？關(guān)鍵詞？無人機，航跡規(guī)劃，任務(wù)分配，預(yù)測控制，模

8、糊多指標，擴展卡爾曼濾波，概率濾波，粒子群ｎＡＢＳＴＲＡＣＴＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｍｅｎｔｏｆａｖｉａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｍｕｌｔｉｌｅｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅｐｇｙ，ｐ（ＵＡＶ）ｉｓｕｓｅｄｗｉｄｅｌｙｉｎｔｈｅｄｉｒｔｙａｎｄｄａｎｇｅｒｏｕｓｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｔｏｐｅｒｆｏｒｍｔａｓｋｓ，ｔｈｅｔａｒｅｔｔｒａｃｋｉｎｉｓｔｈｅｆｏ