【摘 要】
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近年来,伴随着我国科学研究的快速发展,无人机已逐渐应用于森林火灾监测,同时,越来越多的学者也开始研究无人机用于森林火灾扑救的问题。本文针对面向森林火灾监测和面向森林火灾扑救的无人机航迹规划,进行了以下几个方面的研究:（1）针对在森林特殊的任务区域中无人机的巡检航迹规划问题,提出两种不同的全覆盖搜索算法。当任务区域呈明显不规则形状时,提出基于无人机作业航向的巡检策略,并考虑无人机的转弯时刻,该算法可
【基金项目】
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国家自然基金面上项目“面向森林火情监测的多无人机容错协同控制研究”（编号:61573282）； 国家自然基金重点项目“面向森林环境监测的自主高可靠多无人机系统关键技术研究”（编号:61833013）；
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近年来,伴随着我国科学研究的快速发展,无人机已逐渐应用于森林火灾监测,同时,越来越多的学者也开始研究无人机用于森林火灾扑救的问题。本文针对面向森林火灾监测和面向森林火灾扑救的无人机航迹规划,进行了以下几个方面的研究:（1）针对在森林特殊的任务区域中无人机的巡检航迹规划问题,提出两种不同的全覆盖搜索算法。当任务区域呈明显不规则形状时,提出基于无人机作业航向的巡检策略,并考虑无人机的转弯时刻,该算法可以减小无人机的转弯次数和航迹多余覆盖率。当任务区域中含有障碍物时,提出了基于模拟退火算法的巡检策略,首先使用栅格法对环境进行处理,并为无人机选择合适的航迹点,将巡检任务转化为旅行商求解问题,最后使用模拟退火算法求解该问题。仿真实验结果表明,所提的两种巡检策略均可以为无人机规划出可用于森林火灾监测的巡检航迹。（2）针对森林火灾扑救的航迹规划问题,分别对两种不同情况提出了不同的算法,当森林海拔差异较小时,提出了基于改进双向快速搜索随机树算法（RRT-connect）进行航迹规划算法;当森林海拔差异较大时,提出了基于差分进化的混合蝙蝠算法进行航迹规划。针对平原森林,无人机不需要频繁改变飞行高度,因此,将问题描述为二维环境的无人机航迹规划,使用改进的RRT-connect算法为无人机规划火灾扑救航迹,在该算法中,首先,通过限制最近邻接点的搜索范围提高了算法中搜索树的构建速度,快速得到一条较优航迹;其次,使用Dijkstra算法对航迹进一步优化,找到一条更优的火灾扑救航迹。针对山地森林火灾扑救,如果让无人机在较高位置进行平面飞行,在起飞和降落时能耗较大,因此,将问题描述为三维环境的无人机航迹规划,航迹将跟随山脉起伏,对该情况使用改进的蝙蝠算法进行求解。首先,使用差分进化算法解决了蝙蝠算法“早熟”的问题,其次,考虑障碍物的威胁,设计新的适应度函数。仿真结果表明,本文所提算法可以为无人机规划出符合要求的火灾扑救航迹,为无人机执行实际任务提供了依据。（3）针对所规划的航迹无法直接用于无人机飞行的问题,使用不同的算法对航迹进行平滑。针对二维火灾扑救航迹,使用基于飞行走廊和贝塞尔曲线的minimum snap算法进行平滑。首先,针对完整航迹的安全特性,使用贝塞尔曲线对飞行走廊进行限制,保证了整个飞行航迹的安全;其次,使用minimum snap算法对航迹片段添加约束,保证了无人机从起点到火灾点飞行过程中的位置、速度、加速度连续、能耗小。针对三维火灾扑救航迹,基于三阶B样条曲线的特性进行平滑处理,保证了无人机飞行过程中速度、加速度连续。（4）在室内无人机—QDrone上对面向森林火灾扑救的航迹进行实验验证。分别介绍了无人机的飞行原理、室内定位系统、实验平台通信架构以及QDrone的Simulink仿真模块。在该室内实验环境中,首先在室内半仿真平台上进行验证,之后使用无人机对所规划的航迹进一步验证。
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