无人机任务规划系统.pdf

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1、无人机任务规划系统高雨青1王国宏2曾安里3 戴伟4(1 广州慧海电子科技有限公司北京分公司；2 空军装备研究院雷达与对抗研究所；3 中科院自动化所军工部；4 国际关系学院特战指挥系)摘要随着航模时代进入无人机时代，对无人机任务规划系统的迫切需求日益增长。结合无人机三类主要任务(侦察、干扰、攻击)和无人机战术编队以及与航空兵战术协同，根据具体应用领域需要提高规划效率与精确性：通过研究国内外无人机规划系统结合大地形建模与高精度G P s 1 N S 融合姿态测量飞控系统，在通信与雷达电磁波仿真环境基础上、形成在三维正射影像上完成任务规划系统，并通过压航线的纵剖面、横剖面分析，经评估模型算法评估经验

2、值，实现无人机任务规划方案的寻优解；提交一套实用无人机任务系统(舍评估优化)。关键词无人机任务规划复杂地形电磁波仿真规划评估1目前国内无人机任务规划技术综述1 1 国内无人机技术研究领域无人机可广泛完成军、民应用领域的多种任务，目前已经成为各发达国家必争的战略技术高地。确保无人机在复杂环境中有效可靠地执行任务的关键技术之一是无人机的控制、决策与管理技术这些同时是无人机任务规划时效性、精确性、可靠件的基础。目f i i f 国内无人机任务规划技术研究领域涉及无人机任务规划技术发展现状与趋势、多机编队任务规划协同控制与管理技术、无人机飞行任务控制系统体系结构、高中空长航时无人机飞行管理与控制技术、

3、无人侦察机测控与数据链技术、微型无人机任务规划控制技术、无人机再规划自主控制技术、无人机系统任务控制站技术、无人机制导导航与控制技术、无人机先进任务载荷技术、无人机任务厂毪行规划与重规划技术、临近空间高动态无人飞行器组合控制技术、无人机自主起飞与着陆技术以及其他相关技术等领域的研究；从应用层次上细分，无人侦察机任务规划主要有战术无人侦察机、战役无人侦察机、战役无人侦察机。从具体使用层次上分，攻击型无人机任务规划主要用于反辐射无人机。1 2 无人机任务规划概念(1)无人机任务规划：也称无人作战飞机航迹规划，是指是根据地图测绘系统和卫星侦察系统提供的战区地图资料、敌方防空系统部署情况以及无人作战飞

4、机的飞行性能参数，为无人作战飞机规划出一条或多条安全系数最大，突防概率最高，飞行线路或飞行时间最短的飞行路线，该模块的输出为从初始点到目标点的一系列的航路点，无人作战飞机依次飞过航路点序列，完成从起点到终点的飞行任务。(2)无人机任务规划与评估：利用仿真平台、实现复杂不规则区域、三维地景上的敌我态势的情报数据的动态显示，并依据情报侦察数据和武器装备参数模型，在三维态势上通过算法生成雷达、地导、高炮等地面防空威胁范围、为无人机与航空兵协同作战的任务规划，提供评估与优先方案；提供各种三维战场环境的威力或威胁范围如火控与制导雷达与武器的作战有效范围、雷达通信组网的区域组网合并、求交求并、单元火力失效

5、后的组网的分离及横剖面、纵向切片操作与显示功能。涉及武器作战单元的实际作用范围的三维空间的威力表现算法，地形D E M 遮挡计算、兵力部署逻辑合理性检查计算、地形建模、地物建模、碰撞检测、粒子效果、无人作战飞机是在三维环境中运行的维数的增加使得规划的复杂度可视复杂算法等。1 3 无人机任务规划有关术语(1)区域：指数学上的三维封闭区域。该区域可为不规则区域，如类似气囊外形的封闭曲面。(2)实体：由小区域组合而成的较大区域，在宏观上有共同的运动特征。如由几栋楼房组成的居民小区。(3)应用场景：控制实体和区域在三维地景上按用户指定的方式变化而构成的场景，类似汽车在城市道路上运动。(4)R S：遥感

6、测量技术。对于大地测量领域，根据测量手段分为卫星遥感和航空遥感。(5)础)B M S：关系型数据库管理系统。是海量信息管理技术，是数据挖掘、数据仓库的前提条件，提供海量数据稳定、高效地存储和访问。(6)空间G I S：结合G I S、R S 和R D B M S 等多领域技术对海量超大规模地理信息进行三维整合和管理，并提供一系列虚拟现实的可视化及测量、显示、标绘等应用支撑的平台环境。(7)图素：图形元素的简称，在地理信息系统中对城市、地标等点信息；河流、公路、铁路等线信息和区域信息的统称。(8)三维场景：本系统根据任务需要，从多种途径提取生成的供三维模拟显示地形、地貌数据。本系统采用的是卫星遥

7、感途径获得的场景影像数据和大比例尺G I S 数据通过运算生成的数字高程数据。(9)目标：系统中二三维背景下关注的各移动对象，如，飞机、导弹和地面车辆等。目标有各自的显示属性、运动属性和业务属性。(1 0)目标显示属性：通过3 DM A X 等专用软件制作的、有表面材质贴图、可以带有动画性质的三维立体模型属性。6 0 9 无人机按照已经规划好的航路，进行推演，进行过程中，无人机会自动扫描F 1 标雷达，发现日标，产生随机数和雷达的毁伤概率作比较，如果随机数大于雷达的毁伤概率，则尢人机可以打击I；I 标并摧毁目标，反之无人机继续推演，搜索目标雷达。3 系统结构设计3 1 系统结构设计概述系统共为

8、四个功能层：数据层、计算层、表现层、应用层(见图1)。计算层和表现层封装成通用的组件开发包。应用层匝巫国燃圆圈圈圆圈圄国国圄【堕竺!堡J【兰堡茎堡竺J【些望堑垡竺J 匕爽壁。竺_图1 功能结构(1)数据层：数据及数据访问控制。数据包括高程数据、实体数据库、应用场景库、各类区域数据库。数据访问包括高程数据的切块访问、场景对象管理、实时G P U 渲染管理、应用场景数据管理、摄像机的控制管理。(2)计算层：坐标变换、区域地形遮挡计算、基本数据计算支撑、区域移动遮挡计算、区域合并计算、特殊区域计算、区域切面计算、区域碰撞计算。(3)表现层：大规模地形的绘制、区域切而图、区域绘制、区域表现、应用场景编

9、辑，标注牌、模型绘制、动态显示、记录与回放、在线帮助。(4)应用层：在复杂不规则I X 域敌我态势动态显示基础下的三维卒问的无人机仟务规划系统。3 2 无人机任务规划基本工具功能1)三维实景环境数据算法与可视化(1)显示3 D 起伏地形包络，考虑地球曲率，叠加显示地名和部分地物景j(!I I 数据。(2)D E M 地幅范围为大地形地景范围，1：2 5 万精度。(3)以不I 目的颜色显示武器装备平台的威力区域实体及满足一定条件后该实体的颜色变化。(4)提供和显示给定实体的3 D 模型、依据极向图和部分实测数据，通过算法形成威力范围区域。(5)在三维空问实时显示无人机平面管道、立体管道、探测区域

10、、武器平台实体的移动。(6)提供和显示运动实体的3 I)模型，并可六自由度运动。运动实体类型由片j 户指定。(7)提供3 1)模型导出接口，导出为常见格式3 D S。(8)提供三维环境任意视角的切换的横剖面和纵剖面压航线的切片分析、算法评估。2)武器平台作战区域威力算法与可视化(1)以三维方式显示多个区域的合并区域。通过算法对组网的区域进行变形效果评估。(2)某区域被删除后剔除其区域。(3)显示特殊区域，其绘制所需数据根据甲乙双方商定的基本接口，由用户自行提供和录入。(4)表现地形D E M 对威力区域的遮挡效果算法与可视化。(5)可对武器平台的作战区域的横、纵切片处理，并显示切面图算法与町视

11、化。(6)表现地球曲率对区域范围的影响：地形数据以参考椭球体为基准计算算法。(7)显示武器平台作战运动区域的运动效果。(8)以不同颜色显示武器平台作战区域的交迭部分。3)应用场景编辑及动态演示(1)应用场景编辑：地形数据初始化、实体设置、实体(区域)的数据驱动显示等。(2)提供交互界面设置给定管道形区域：管道上：点的编辑俯视图f=标点J 田I 线没置点特殊数据，包括时空数据等。(3)可按设置的应用场景进行动态推演。(4)应用场景配置方案以文件方式存储，可导入与导出。(5)参数记录蚓放。视频记录回放，形成通用的视频文件。4)与H I A 兼容5)人机交互(1)显示标注牌：汉字及数字标注。(2)提

12、供交互界面，可按经纬度、高度布放实体。(3)可控制运动实体(区域)运动方式：以窗口方式提供控制参数的输入。(4)提供3 D 模型拖曳布放。6)数据管理管理实体特性数据(读人、编辑、存储、显示实体(区域)等布置数据及特性数据)。7)应用工程化以工程或工作空间的形式对应用场景进行管理。8)打印输出(1)按设置区域和可视区域打印输出无人机任务规划在三维场景日_ 视化效果。(2)对武器平台实体、作战区域进行无人机任务规划评估优化方案制表输出。4 小结无人机任务规划问题由于其应用的广泛性和求解的困难性而一直吸引各同研究人员不断研究，每年都有大鼍相关论文被发表。但关键技术点的突破较多，工程化应用的系统与经

13、验少，不但计算馈大、算法优化喇难，且任务规划的质量难以保i J F。经过与用户的密切沟通与总体单位投人大量的人力、物力进行飞行任务规划算法的研究，通过原型叠代开发、不断补充新需求、算法优化修改、设计优化重新开发，对同行单佗的关键技术算法凋研了解，结合无人机任务规划实用中的具体难点和算法难点，终于取得r 较大的成功，开发出了比较实用的无人机任务规划系统，交付用户进行无人机任务预规划方案拟定、优化方案评估。6 1 1 参考文献 1 唐强，车军，杨晖，多无人机多目标任务分配方法研究多机编队协同控制与管理技术，5 6 9 2 何睿，戴宁王琳两种三维航迹规划算法的仿真与分析无人机任务厂1 S 行规划与莺

14、规划技术4 2 0，3 龚佩琳，任敏，薛宏涛、低町探测性U A V 三维航迹规划算法研究无人机任务毪行规划与重规划技术，4 0 1 4 左玲无人机编队飞行的控制与仿真多机编队协同控制与管理-6 1 2 技术5 7 2 5 黄葵乇正，朱必动无人机三维空同近距编队控制模型研究多机编队协间控制与管理技术，5 3 6 6 叶文，朱爱红，范洪达多无人作战飞机协同航路规划研究多机编队协同控制与管理技术，5 2 0 7 林伟廷，田菁，朱华勇，沈林成商宅长航时无人机侦察任务规划问题建模求解高伸空长航时无人机毪行管理与控制技术，5 9 1 8 李子文，夏洁，无人侦察机路径规划方法研究无人机任务飞行规划与重规划技

15、术，4 0 6 注：以上参考文献均来自“第一届中国导航、制导与控制学术会议(C G N a=2 0 0 7)论文集无人机的控制决策与管理”。无人机任务规划系统无人机任务规划系统作者：高雨青，王国宏，曾安里，戴伟作者单位：高雨青(广州慧海电子科技有限公司北京分公司)，王国宏(空军装备研究院雷达与对抗研究所)，曾安里(中科院自动化所军工部)，戴伟(国际关系学院特战指挥系)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.董世友.龙国庆 攻击型无人机任务规划系统浅析期刊论文-机器人技术与应用2004(6)2.朱剑佑.ZHU Jian-you 无人机任务规划研究期刊论文-无线电工程2007,37(1

16、2)3.姜荣凯 无人机分布式任务规划技术研究学位论文20084.高晓静.智勇.陈晓峰 无人机任务规划系统体系设计期刊论文-计算机系统应用2009,18(10)5.AC-PSO算法在无人机任务规划中的应用期刊论文-南京航空航天大学学报（英文版）2005,22(3)6.张昉 无人机任务规划技术研究学位论文20097.叶媛媛.沈林成.常文森 基于不完全全局规划的多无人机系统协同控制机制研究会议论文-20028.林海.王静.王文涛.马培博.LIN Hai.WANG Jing.WANG Wen-tao.MA Pei-bo 基于分层处理的无人机任务规划期刊论文-无线电工程2010,40(5)9.王和平.柳长安.李为吉.Wang Heping.Liu Changan.Li Weiji 基于蚁群算法的无人机任务规划期刊论文-西北工业大学学报2005,23(1)10.谭雁英.张波.祝小平 自主飞行无人机任务规划的动态智能管理与执行策略期刊论文-弹箭与制导学报2004,24(4)本文链接：http:/