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目 录

1 绪论 1

1.1 无人机简介 1

1.2 课题意义 1

1.3 国内外主要研究现状 2

1.3.1 我国无人机发展现状 2

1.3.2 国外无人机的发展 2

1.3.3 目前主要研究成果及本设计创新点 3

1.4 研究内容 3

1.4.1 模型介绍 3

1.4.2 模型分析 3

1.4.3 主要工作介绍 4

2 基于简单路径的延时分析 4

2.1 简单路径介绍 5

2.2 简单路径下延时结果及分析 7

3 基于剪枝算法的路径优化 8

3.1 目标区域的优化 8

3.2 剪枝算法介绍 9

3.3 剪枝算法在路径优化中的作用 9

3.4 剪枝算法在设计中的应用 10

3.5 剪枝算法延时结果及分析 11

3.5.1 剪枝算法飞行路径及延时结果 11

3.5.2 剪枝算法结果与简单路径结果的比较 18

3.5.3 剪枝算法结果总结 18

4 基于遗传算法的路径优化 19

4.1 遗传算法介绍 19

4.2 遗传算法在路径优化中的应用 20

4.3 遗传算法在设计中的应用 20

4.4 遗传算法优化运行结果及分析 22

4.4.1 遗传算法飞行路径及延时结果 22

4.4.2 遗传算法结果与简单路径结果的比较 28

4.4.3 遗传算法结果与剪枝算法结果的比较 28

5总结与展望 30

参考文献 31

致谢 32

附录 33

无人机信息收集策略研究

成君鹏

，China

Abstract: As a branch of robots, the unmanned aerial vehicle (UAV) has a good prospect when the application of robotics is more and more extensive. Gathering the data collected by the sensor network is an important branch in the many applications of UAVs. In the process of collecting information, UAVs can cooperate with sensors in order to implement the real-time monitoring. It has extensive applications in many areas such as disaster prevention and reduction, search and rescue, traffic supervision, resource exploration, border defense patrols, forest fire prevention, meteorological observation, crop estimation and so on. The content of this research is the UAV path planning in information collecting networks. On the basis of establishing a suitable network model, the flight path of UAV can be designed and optimized, so that the UAV can collect the real-time information on the sensor clusters. The research uses the pruning algorithm and genetic algorithm to optimize the flight path of UAV effectively. The final path can make the information collected by the sensor be gathered on the UAV with the minimum delay. The completion of this research can improve the collection efficiency in information collecting networks, which is very significant to the information collection of the UAV.

Keywords: UAV; minimum delay; pruning algorithm; genetic algorithm

1 绪论

1.1 无人机简介

无人驾驶飞机简称“无人机”(unmanned aerial vehicles，UAV)，是利用无线遥控设备和控制装置操纵的不载人飞机。从技术角度来说可以分为无人固定翼飞机、无人垂直起降飞机、无人直升机、无人飞艇、无人多旋翼飞行器以及无人伞翼机等多种类型。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便、机动性强等优点，因此往往更适合那些单调或危险的任务。无人机的黄金发展时期主要是在91年发生的海湾战争以后，由于无人机在战争中的出色表现，西方国家充分认识到了无人机在战争中的作用，竞相把高新技术应用于无人机的研制开发之上。例如，新翼型和轻型材料大大增加了无人机的续航时间；信号处理技术的发展与通信协议的升级提高了无人机的图像传递速度和数字化传输速度；自动驾驶仪使无人机不再依赖陆基的显示屏进行领航，按照程序运行即可实现自动路径规划和改变高度等操作。新一代的无人机能从多种平台上实现发射和回收，例如，从地面车辆、舰船和航空器进行发射和回收。

在信息时代，广泛的需求大大拓展了无人机本身的用途，各个科技大国正在积极发展无人机技术并将其广泛应用到各行各业之中。军用方面，无人机主要有侦察机和靶机两种。在民用方面，无人机应用相当广泛，目前在航拍、农业种植、物流运输、灾害救援、监控测绘、新闻报道、电力检修、防洪救灾以及影视作品拍摄等诸多领域中都有应用。

1.2 课题意义

无人机在当前的应用十分广泛，而如何高效地进行数据收集是一个重要的课题。无人机配合传感器可以进行实时的监控，在防灾减灾、搜索营救、交通监管、边防安全、森林防火、资源勘探、大气探测、农作物生产、管道检修等领域有着广泛的应用。因此，本课题将针对无人机的信息收集策略进行研究。

无人机技术在快速发展的同时，各种功能更为强大的传感器也已经被大量应用于各行各业之中。近年来随着传感器、计算机和通信技术的快速发展，使得在广泛的区域内部署大规模的传感器成为现实。具有传感、通信和计算能力的传感器目前已经基本满足小尺寸、低功耗的要求，主要应用于环境研究和军事行动之中。传感器数据的传输对其通信能力和通信质量有很高的要求，包括最小传输速率和最大延迟的保证，而这些都需要在设计数据收集策略和协议时加以考虑。另外，在通信网络由不连续的传感器集群组成的情况下，无人机飞行路径控制和先进的通信技术是实现收集大规模数据的关键因素。在这个意义上，由无人机充当中介，用于收集，存储和传送传感器产生的数据，具有很高的可行性和实用性。

本课题主要研究利用无人机对传感器集群实现实时的信息收集。通过合理地设计飞行路径，无人机对传感器信息的收集效率能得到显著的提升。完成这一选题，对当下无人机的信息收集有着积极意义。

1.3 国内外主要研究现状

1.3.1 我国无人机发展现状

进入21世纪以来，我国无人机技术的发展十分迅猛，目前在大、中、小、超小、高空高速无人机这5类非靶机类固定翼无人机方面均取得了巨大的进展。在小型无人机方面，国内目前已经有BZK-002高原型侦察无人机、JWS01反辐射无人机、RKLl65假目标无人机、RKTl64通信对抗无人机等多个型号可以达到50千米的控制半径。在中型无人机方面，我国目前有T-18中程无人机、WZ-2000无人机，性能满足作战半径600千米，实用升限5000米，续航时间10小时，任务载荷（任务载荷可以是航空相机、电视摄像机、红外扫描仪、电子侦察设备、电子干扰设备等）50千克。大型无人机目前有一个在研型号，为BZK-005中高空远程无人侦察机。该机巡航高度为7000米，作战半径1500千米，续航时间为30小时，可以装载多种任务设备。高空高速无人机方面，国内目前有多家单位正在研制包括WZ-3000在内的多种无人机。这类飞机飞行高度可达12000米以上，飞行速度在600～800 km/h，可以装载各式复杂设备^[2]。

此外，以大疆公司为代表的无人机制造公司在技术上不断创新，所生产的无人机占据了大量的市场份额，得到了国内外的一致认可。

1.3.2 国外无人机的发展

本文主要列举美国、以色列及欧盟在无人机领域的发展。

（1）美国国家航空航天局(NASA)专门成立了一个无人机应用中心，用于开展无人机的各种民用研究。它与美国海洋与大气局(NOAA)进行合作，利用无人机进行天气预报、地球变暖和冰川融化等科学研究。2007年的森林大火事件，美国宇航局使用“伊哈纳(Ikhana)”无人机来评估大火的严重程度以及灾害的损失，这种无人机略小于全球鹰，其翼展为20米，巡航高度可达1.2万米。“伊哈纳”无人机是军用无人机“捕食者”的一种改造型号，主要用于民用和环境监测方面。NASA将军方原本用于战场的大型高空无人机加以改造，用来对飓风和热带风暴进行监视和研究。此外，无人机在美国也被广泛地用于土地管理和野生动物监测等领域^[3]。

（2）以色列是全球范围内无人机设计制造技术最为先进的国家之一。以色列组建了一个民用无人机及其工作试验委员会，埃尔比特系统公司率先完成了规定程序，其赫尔姆斯450型无人机在2007年5月取得了民用证书。在2008年，以色列飞机工业公司马拉特子公司的中高空长航时“苍鹭”无人机取得了在以色列空域中执行非军事任务的许可。目前，以色列相关关部门正在合作进行无人机在民用领域的飞行试验，在相关领域积累了大量经验。

（3）欧盟于2006年制定“民用无人机发展路线图”并付诸实施，首期跨度为6年。“路线图”预计民用无人机市场从2010年开始迅猛发展，到2015年将上升到2.7亿欧元。其中地球观测约占市场的3.7%，通信与海上监控各占市场的13%，森林防火灭火市场份额约12%，治安执法占3%。此外，欧盟成立一个泛欧民用无人机协调组织，主要负责市场评估、技术监视、空域管制、适航安全、标准制定、成本控制等方面的试验研究，以便解决最关键的空中安全与适航问题。荷兰目前已开始在非隔离空域进行“探测与回避”系统的研究与试验^[3]。

1.3.3 目前主要研究成果及本设计创新点

当前对无人机的研究有自动规避防撞策略研究，协同编队探测研究，无人机上行链路的安全策略研究等等。这些研究对无人机的飞行进行了具体而详尽的探讨，在相关领域取得了很大的进展。无人机的路径规划问题的研究涵盖到了力学、运筹学、自动控制理论、图形处理等多个学科，建模难度很大。目前主要研究采用的是将模型进行简化，进而分层研究的方法。一般主要可以分为以下两层：

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