基于DirectX的无人机航迹规划模拟系统的设计与实现

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随着现代战场环境的复杂性日益提高,无人机在现代战场环境中的作用日益凸显。在战场上,无人机需要低空飞行以提高安全性,然而低空飞行又使得无人机面临地形和地面雷达等多方面的威胁,这就需要航迹规划算法为无人机规划出一条安全航迹。在完成作战任务时,多无人机协同攻击目标将有效提升任务成功率。多无人机协同作战将是未来战场趋势。无人机航迹规划规划模拟系统是统筹评估无人机性能、地形信息、威胁信息以及战略信息,进行合理的目标分配和航迹规划的综合系统。模拟系统的有效与否关系到无人机任务执行的有效性和成功率。目前,国内学者的研究侧重于无人机航迹规划算法的研究,而对无人机航迹规划系统的研制处于较为初级的阶段。本文首先讨论了构建无人机航迹规划模拟系统架构的方法。系统使用VS2010和DirectX工具构建,完成单无人机规划任务和多无人机规划任务。系统可以作为航迹规划算法演示平台,以进行各种算法的评估比较。其次,介绍了稀疏A*算法的三维扩展化方法,设计了算法应用到单无人机航迹规划时的启发函数的计算方法,启发函数根据航迹长度代价和威胁代价得到,为了便于计算,本文将威胁代价量化为长度代价量纲。再次,研究了多目标分配算法,设计了一种基于航迹长度代价矩阵和DE进化算法的多目标分配方法,方法中首先使用航迹连线对三维地形竖切,根据得到的垂直切面得到估计航迹长度代价矩阵,在此基础上对分配模型进行基因编码,使用DE进化算法得到最终的目标分配结果。然后,为了解决多航迹规划中的航迹间避撞和协同的问题,提出以稀疏A*算法(即SAS算法)和目标分配为基础的多无人机航迹协同规划方法。在航迹搜索过程中,同时考虑单航迹的约束和航迹间的最小安全距离约束,并在启发函数中添加协同违背量因素,以降低规划结果中的航迹不协同值,使得各条航迹的航迹长度趋于一致。最后,介绍了航迹规划模拟系统的界面,并在三维和二维环境下对单无人机航迹规划和多无人机目标分配进行了模拟,验证了系统的可行性和有效性。
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