系统工程与电子技术 ›› 2023, Vol. 45 ›› Issue (12): 3995-4004.doi: 10.12305/j.issn.1001-506X.2023.12.30

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基于优化A*和MPC融合算法的三维无人机航迹规划

宋超, 李波, 马云红, 黄晶益   

  1. 西北工业大学电子信息学院, 陕西 西安 710072
  • 收稿日期:2022-09-05 出版日期:2023-11-25 发布日期:2023-12-05
  • 通讯作者: 李波
  • 作者简介:宋超(1995—), 男, 博士研究生, 主要研究方向为无人机智能航迹规划、无人机协同智能决策
    李波(1978—), 男, 教授, 博士, 主要研究方向为空战智能决策, 无人系统智能指挥控制
    马云红(1972—), 女, 副教授, 博士, 主要研究方向为复杂系统建模与仿真、先进控制理论、无人机协同任务规划、人工智能优化算法及应用
    黄晶益(1997—), 男, 博士研究生, 主要研究方向为无人机协同航迹规划
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(62003267);航空科学基金(20200020053002);陕西省重点研发计划项目(2023-GHZD-33);电磁空间作战与应用重点实验室(2022ZX0090)

3D UAV trajectory planning based on optimized A* and MPC fusion algorithm

Chao SONG, Bo LI, Yunhong MA, Jingyi HUANG   

  1. School of Electronics and Information, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China
  • Received:2022-09-05 Online:2023-11-25 Published:2023-12-05
  • Contact: Bo LI

摘要:

针对传统A*算法在二维无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)航迹规划中存在的不足, 提出了一种优化A*算法与模型预测控制融合的三维UAV航迹规划方法。通过压缩搜索空间和平滑处理, 提出了一种基于三维空间的优化A*算法, 综合考虑全局规划与实时避障需求, 构建了优化A*算法与模型预测控制的融合算法。仿真验证表明, 融合算法能够实现三维复杂环境下UAV实时避障航迹规划, 搜索节点少, 路径长度短且更加平滑, 具有很好的环境适应性。

关键词: 无人机航迹规划, 优化A*算法, 模型预测控制, 三维空间模型

Abstract:

In view of the shortcomings of the traditional A* algorithm in 2D unmanned aerial vehicle (UAV) trajectory planning, a 3D UAV trajectory planning method that fuses the optimized A* algorithm with model predictive control is proposed. An optimized A* algorithm based on 3D space is proposed by compressing the search space and smoothing operation, and a fusion algorithm of optimised A* algorithm and model predictive control is constructed by considering the global planning and real-time obstacle avoidance requirements. Simulation verification shows that the proposed fusion algorithm can achieve real-time UAV obstacle avoidance trajectory planning in 3D complex environment, with fewer search nodes, shorter and smoother path lengths, and has good environmental adaptability.

Key words: unmanned aerial vehicle (UAV) trajectory planning, optimized A* algorithm, model predictive control, 3D spatial model

中图分类号: