基于流水避石原理的复杂地形条件下无人机三维航路规划理论与方法研究

针对无人机在复杂地形条件下低空飞行执行精细侦察、攻击突防、灾害监视等军、民用任务的迫切需求，研究基于流水避石原理的复杂地形条件下无人机三维航路规划的有关理论和方法。建立既符合流水避石基本原理又便于求解的航路规划用流体力学模型；建立基于流水避石原理的简单三维航路规划问题的解析求解方法并通过数值解进行验证；建立基于流水避石原理的复杂地形条件下三维航路规划问题的数值解法；建立基于无人机性能约束和任务要求的航路筛选与综合评价优选方法；构建全数字和半物理仿真实验系统以验证所提原理和方法的正确性、有效性和实用性。该项目研究成果可广泛应用于各种无人机、飞行器和机器人等运动平台的复杂地形条件下的三维路径规划问题，为复杂地形条件下三维航路规划系统的设计提供切实有效的技术途径和全新的理论和方法，并进一步拓展流体力学的应用领域，具有重要的理论意义和工程应用价值。

本项目针对无人机在复杂地形条件下低空飞行执行精细侦察、攻击突防、灾害监视等军、民用任务的迫切需求，受自然界流水避石现象的启发，创新性地提出了一种适应于复杂地形的无人机三维航路规划方法。主要从以下几个方面进行了研究并取得了相应的成果：(1)借鉴自然界流水避石现象，构建面向三维航路规划任务的流体力学模型，进而提出一种基于流体计算的无人机三维航路规划方法。(2)提出一种泛化的模糊竞争神经网来解决可飞航路集合的航路评价和优选问题。(3)提出扰动流体动态系统方法(IFDS)，能处理复杂的地形和不同形状的障碍物，且具有很高的规划效率。 (4)进一步提出了改进的扰动流体动态系统方法(IIFDS)，拓展了流线的分布空间，解决了IFDS算法存在的陷阱区域、驻点等问题。(5)在IIFDS算法基础上，引入相对流场概念，使无人机在规避三维复杂地形的同时可躲避运动威胁;将李雅普诺夫导航向量场算法产生的导航向量场作为IIFDS算法的初始流场，实现复杂地形条件下无人机同时规避动、静态障碍与跟踪动态目标时的航路规划。(6)将IIFDS算法推广应用于无人机空中避撞航路规划。引入交互多模型算法预估机动入侵机的状态信息，并进行碰撞检测，基于IIFDS算法结合滚动优化原理最终规划出可飞行的无碰撞航路。(7)在基于伪谱法求解的最优控制航路规划方法研究基础上，提出了IIFDS和轨迹延拓方法相结合的可飞航路规划方法，可规划出满足具体无人机运动学和动力学约束的可飞航路，同时生成制导指令。(8) 在基于扰动观测与补偿的控制方法研究基础上，提出了一种基于非线性路径跟随导引和自抗扰控制的无人机空间轨迹跟踪控制方法，可实现扰动环境下对三维复杂航路的精确跟踪。（9）构建了全数字和半物理仿真实验系统，对仿真软件的功能和性能进行了测试，并通过仿真实验验证了所提航路规划原理和方法的正确性、有效性和实用性。该项目研究成果可为复杂地形条件下三维航路规划系统的设计提供切实有效的技术途径和全新的理论和方法，具有重要的理论意义和工程应用价值。

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