飞行器航迹规划
2008-12
郑昌文、严平、 丁明跃 国防工业出版社 (2008-12出版)
郑昌文 等 著
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随着计算机、自动化、信息技术的发展，现代飞行器技术发生了巨大的变化。飞行器的种类越来越多，性能越来越高，技术密集、结构复杂、协同性强，使得飞行器的操纵愈来愈复杂。与此同时，伴随着现代飞行任务的难度、危险度以及强度的不断增加，由于飞行员受生理和心理等因素的局限，单纯依靠飞行员手工操作完成复杂的飞行任务变得越来越困难。例如，在地形跟随过程中，视觉效应会使飞行员精神高度紧张，对速度的控制容易诱发长周期振荡。对于这些问题，一种有效的解决途径就是采用飞行器航迹规划技术。飞行器航迹规划是在综合考虑飞行器到达时间、油耗、威胁以及飞行区域等因素的前提下，为飞行器规划出最优或者是满意的飞行航迹，以保证圆满地完成飞行任务。由于飞行器航迹规划的规划区域非常广阔，同时涉及多种约束条件，数学模型建立非常困难。在任务的适应性和规划的实时性等方面，现有的规划算法都难以满足不断变化的应用需求。近年来针对飞行器航迹规划的特点和现有规划方法存在的问题，我们开展了一系列研究工作，本书是研究工作的总结。书中绝大部分内容取材于我们在国际、国内学术期刊发表的论文，细致而全面地展示了最新的研究成果和进展。本书系统地讨论了飞行器航迹规划的基本要素。首先，给出了一种新的规划环境表示法，该方法通过采用不同的数据结构表示不同的环境要素，不仅减少了传统规划方法构建搜索图所需要的计算量，而且当规划环境发生变化时，可以及时有效地进行数据更新，较好地满足了实时应用的要求。
飞行器航迹规划是实现飞行器自动导航的一项关键技术。《飞行器航迹规划》系统地介绍了飞行器航迹规划的概念、理论及方法，内容包括飞行器离线航迹规划、飞行器在线航迹规划、针对运动目标的飞行器航迹规划、多飞行器协调航迹规划以及飞行器任务调度等多个方面。《飞行器航迹规划》可作为导航与制导相关专业硕士、博士研究生的教学参考书，也可供飞行器航迹规划相关科研工作者和工程技术人员参考。
第1章 绪论1.1 背景1.2 飞行器航迹规划的基本要求1.3 常用的航迹规划方法1.3.1 规划空间表示方法1.3.2 航迹搜索算法1.4 当前航迹规划研究中存在的问题1.5 飞行器任务分配问题1.6 本书的主要内容及安排第2章 飞行器航迹规划基本要素2.1 规划空间的表示方法2.2 飞行航迹的表示方法2.3 飞行航迹的基本约束条件2.4 航迹评价2.4.1 影响航迹性能的主要因素2.4.2 代价函数的选取2.4.3 权系数的确定2.5 飞行器航迹规划问题的数学描述第3章 飞行器离线航迹规划方法3.1 基于稀疏A*搜索的飞行器航迹规划方法3.1.1 航迹节点的扩展3.1.2 算法描述3.1.3 仿真实验3.2 基于进化计算的飞行器航迹规划方法3.2.1 进化计算简介3.2.2 基因编码方式3.2.3 航迹评价方法3.2.4 进化算子3.2.5 算法描述3.2.6 时间复杂性分析3.2.7 仿真实验3.3 飞行器多航迹规划3.3.1 多峰值函数优化与进化算法3.3.2 K-均值聚类3.3.3 多种群进化算法3.3.4 基于进化计算的飞行器多航迹规划算法描述3.3.5 仿真实验第4章 飞行器在线航迹规划方法4.1 飞行器在线航迹再规划4.1.1 节点的扩展4.1.2 再规划航迹代价的重新计算4.1.3 在线实时航迹再规划方法4.1.4 仿真实验4.2 针对静止目标的飞行器在线航迹规划方法4.2.1 动态开放环境中的实时搜索算法4.2.2 节点的扩展与启发式信息4.2.3 算法描述4.2.4 算法收敛性证明4.2.5 算法改进4.2.6 仿真实验4.3 针对运动目标的飞行器航迹规划方法4.3.1 算法描述4.3.2 收敛性分析4.3.3 算法改进4.3.4 仿真实验第5章 多飞行器协调航迹规划方法.5.1 问题描述.5.2 飞行器协调航迹规划的博弈论分析.5.2.1 多飞行器协调规划的博弈格局5.2.2 飞行器编队组织结构5.3 协同进化计算简介.5.4 多飞行器协调航迹规划进化算法.5.4.1 算法结构5.4.2 基于排挤的小生境进化5.4.3 航迹评价函数5.4.4 博弈——协同进化过程5.4.5 协调飞行中的航迹在线再规划5.5 仿真实验第6章 飞行器任务分配6.1 任务分配的数学模型6.1.1 飞行器任务分配问题描述6.1.2 飞行器任务分配中的约束条件6.1.3 飞行器任务分配的数学模型6.2 基于对称群的邻域构造方法6.2.1 邻域搜索中解的形式6.2.2 邻域定义的基本形式6.2.3 邻域构造方法6.3 基于对称群的混合搜索策略6.3.1 进化计算与禁忌搜索的结合6.3.2 群论与禁忌搜索的结合6.4 飞行器静态任务分配算法6.4.1 编码方式6.4.2 适应值函数6.4.3 进化操作6.4.4 算法小结6.5 飞行器动态任务再分配6.5.1 任务再分配的一般策略6.5.2 任务再分配算法6.6 仿真实验附录A 博弈论基础A.1 博弈论的基本概念A.2 基本博弈模型附录B 搜索算法的群论基础B.1 群的基本概念B.2 确定性规划方法与交换群B.3 启发式算法与对称群参考文献
插图：第1章 绪论自古以来，人类一直向往能像鸟儿一样在空中自由翱翔。1903年，莱特兄弟驾驶飞机成功飞上天空，使人类的这一梦想变成了现实。飞行器发展至今，从体积庞大、载重惊人的客货运飞机，到速度高达数倍声速、性能卓越的战斗机，人类在飞行器领域的研究可谓硕果累累。随着计算机、自动化、信息技术的发展，现代飞行器技术也发生了巨大的变化，飞行器的种类越来越多，结构越来越复杂，技术越来越密集。现代飞行任务的难度、危险度以及强度正在不断增加，限于飞行员的生理和心理承受极限，单纯依靠手工操纵完成复杂的飞行任务变得越来越困难。例如，在地形跟随飞行过程中，视觉效应会使飞行员精神高度紧张，对速度的控制容易诱发长周期振荡。因此，如何最大程度地给飞行器赋予智能，实现自主导航与控制，深受国内外研究人员的关注。航迹规划作为飞行器自主导航的关键技术之一，已成为目前一大研究热点。所谓飞行器航迹规划，就是在综合考虑飞行器到达时间、油耗、威胁以及可飞行区域等因素的前提下，为飞行器规划出最优或者满意的飞行航迹，以保证圆满地完成飞行任务，并安全返回基地。航迹规划技术已被广泛应用于飞行器、水面舰艇、地面车辆以及机器人等的导航系统中（在舰艇、自主战车、机器人等领域一般称为路径规划，在本书将之统称为航迹规划）西。
《飞行器航迹规划》由国防工业出版社出版。
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