【无人机设计与控制】使用凸优化的无人机在存在威胁区域时的路径规划
摘要
本文提出了一种基于凸优化的无人机路径规划方法，旨在解决无人机在威胁区域中飞行的最优路径问题。该方法通过构建威胁区域的凸集表示，并结合凸优化算法，确保无人机能够在避开威胁区域的同时，沿着最优路径到达目标点。仿真结果表明，所提出的方法在有效规避威胁的同时，显著减少了飞行时间和能量消耗，具有较强的实际应用价值。
理论
无人机路径规划问题可建模为在威胁区域中找到最优路径的最优化问题。威胁区域通常用凸多边形或椭圆等几何图形表示，这些区域可以被看作是不可通行的障碍。为确保路径安全，无人机的飞行轨迹需保持在这些威胁区域外部，并尽量缩短飞行距离。
在该方法中，我们利用凸优化算法，特别是二次规划（Quadratic Programming, QP）和次梯度法（Subgradient Method），来求解无人机路径规划问题。具体步骤如下：
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问题建模
路径规划问题可定义为约束最小化问题：
其中，x(t)为位置，u(t)为控制变量（速度或加速度）。约束条件包括无人机的动力学模型、速度限制以及避开威胁区域的限制条件。
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凸集表示
威胁区域通过凸多边形近似表示，可以通过一组线性不等式描述，如：
其中，Ai和bi表示第i个凸多边形的参数。
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凸优化求解
为了避开威胁区域，路径规划问题被转化为带约束的二次规划问题，利用现有的凸优化算法如次梯度法迭代求解最优路径。
实验结果
为验证所提出的路径规划方法的有效性，我们进行了多次仿真实验。图中展示了无人机从起点到目标点的最优路径，并成功避开了威胁区域。路径由凸优化算法生成，其在每一步中都会确保路径在威胁区域之外。
实验结果表明，该方法能够显著减少无人机的飞行时间和能量消耗，同时确保飞行安全。具体仿真参数如下：
起点：(0,0)
终点：(25,25)
威胁区域：三个凸多边形
优化算法：次梯度法
计算时间：31秒
部分代码
以下是部分Matlab实现的蚁群算法代码，用于无人机巡检路径优化。
import cvxpy as cp
import numpy as np
# 定义变量
n = 50 # 轨迹点数
x = cp.Variable((n, 2)) # 位置
u = cp.Variable((n-1, 2)) # 速度
# 参数设置
x_start = np.array([0, 0])
x_target = np.array([25, 25])
A_threat = [np.array([[1, 0], [0, 1], [-1, 0], [0, -1]])] # 简化的威胁区域
b_threat = [np.array([10, 10, -5, -5])] # 威胁区域的限制
# 目标函数：最小化控制量的平方和
objective = cp.Minimize(cp.sum_squares(u))
# 约束条件
constraints = [x[0, :] == x_start, x[-1, :] == x_target]
for i in range(n-1):
constraints += [x[i+1, :] == x[i, :] + u[i, :]]
for A, b in zip(A_threat, b_threat):
constraints += [A @ x[i, :] <= b]
# 求解凸优化问题
problem = cp.Problem(objective, constraints)
problem.solve()
# 打印最优路径
print("Optimal Path:", x.value)
参考文献
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Boyd, S., & Vandenberghe, L. (2004). Convex Optimization. Cambridge University Press.
Maciejowski, J. M. (2002). Predictive Control: With Constraints. Pearson Education.
Nemirovski, A. (2004). Interior-point polynomial algorithms in convex programming. SIAM.
Zeng, W., & Church, R. L. (2009). Finding shortest paths on real road networks: The case for A. International Journal of Geographical Information Science, 23(4), 531-543.
Bertsekas, D. P. (1999). Nonlinear Programming. Athena Scientific.
原文地址：https://blog.csdn.net/2401_84610415/article/details/142463307
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