1. 路徑規(guī)劃的概述

? 路徑規(guī)劃是指無(wú)人機(jī)在一定的環(huán)境下，給定無(wú)人機(jī)源點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)一些算法、控制、優(yōu)化方法等來(lái)尋找一條安全、動(dòng)態(tài)可行、最優(yōu)的路徑，使無(wú)人機(jī)從源點(diǎn)飛向目標(biāo)點(diǎn)。路徑規(guī)劃可以由4部分構(gòu)成：①運(yùn)動(dòng)規(guī)劃：運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與機(jī)器人學(xué)有關(guān)。此規(guī)劃滿足約束，如飛行路徑，在路徑規(guī)劃運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)動(dòng)曲柄。它在短路徑長(zhǎng)度和最小轉(zhuǎn)彎角方面優(yōu)化了路徑。②軌跡優(yōu)化：軌跡優(yōu)化是關(guān)于飛行時(shí)運(yùn)動(dòng)可行性的優(yōu)化。它包含了無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度、時(shí)間和運(yùn)動(dòng)學(xué)的路徑規(guī)劃。③導(dǎo)航：導(dǎo)航是運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、軌跡規(guī)劃、避碰和定位的一部分。它是對(duì)無(wú)人機(jī)從一個(gè)地方到另一個(gè)地方的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制和監(jiān)視的總稱。④定位，了解無(wú)人機(jī)所處位置，以便于執(zhí)行任務(wù)遇到未預(yù)測(cè)的障礙進(jìn)行認(rèn)為的規(guī)劃。

2.無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃的動(dòng)機(jī)

? 無(wú)人機(jī)被廣泛用于分析風(fēng)險(xiǎn)和在不危及人類生命的障礙環(huán)境中的危險(xiǎn)任務(wù)。無(wú)人機(jī)不需要人類的干預(yù)，所以如果它受到敵人的攻擊，人類也不會(huì)有損失。但現(xiàn)在，許多無(wú)人機(jī)需要人類互動(dòng)來(lái)監(jiān)督、控制和監(jiān)測(cè)各種操作。在人類操作者決策的參與下，無(wú)人機(jī)無(wú)法按預(yù)期執(zhí)行目標(biāo)任務(wù)。因此，要求無(wú)人機(jī)有能力自己做出安全路徑的決定。為了進(jìn)行自我決策，無(wú)人機(jī)需要參考路徑規(guī)劃技術(shù)。無(wú)人機(jī)在三維環(huán)境中的路徑規(guī)劃有許多問(wèn)題和不確定因素。因此，要想為無(wú)人機(jī)獲得一條現(xiàn)實(shí)的路徑，所有的因素（路徑長(zhǎng)度、最優(yōu)性和完整性）都應(yīng)該被考慮到。通過(guò)使用路徑規(guī)劃技術(shù)，不僅可以發(fā)現(xiàn)一條最佳的、無(wú)碰撞的路徑，而且還可以使路徑長(zhǎng)度、旅行時(shí)間和能源消耗最小化。

3.無(wú)人機(jī)規(guī)劃的階段

? 無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃大致可以分為三個(gè)階段。第一階段是預(yù)處理階段：在這個(gè)階段，在有障礙物′O′的工作空間′W′上畫出節(jié)點(diǎn)（點(diǎn)）和邊（線）。然后，應(yīng)用配置空間（c-space）的概念來(lái)描述W上的U和O。其中配置空間是指將工作空間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將機(jī)器人轉(zhuǎn)化為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，同時(shí)將障礙物按照機(jī)器人的體積進(jìn)行膨脹，這樣的進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)，就可以將機(jī)器人當(dāng)作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)來(lái)處理。第二階段是查詢階段：從路徑的起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的搜索，節(jié)點(diǎn)應(yīng)該滿足避開障礙物、路徑長(zhǎng)度小、時(shí)間上要短等，對(duì)于特定的約束，還需要滿足約束的限制。這一階段有很多路徑規(guī)劃的方法，如基于圖搜索的Dijkstra、A*等，基于隨機(jī)采樣的RRT、RRT*及其變種方法都可以用于無(wú)人機(jī)尋找最優(yōu)路徑。第三個(gè)階段就是軌跡優(yōu)化：第二階段得到路徑存在不夠平滑、靠近障礙物、能源消耗大等問(wèn)題，進(jìn)行二次的軌跡優(yōu)化，可以使得到的路徑適合無(wú)人機(jī)自主移動(dòng)、遠(yuǎn)離障礙物、避免轉(zhuǎn)彎時(shí)停下來(lái)、避免速度、高階動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的突變。軌跡優(yōu)化的方法有Minimum Snap、B-spline、貝塞爾曲線、等式不等式約束、安全走廊約束等。三個(gè)階段完成后，可以得到一條平滑、安全、動(dòng)態(tài)可行的最優(yōu)軌跡。

4.無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃中的挑戰(zhàn)

①安全性：無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中對(duì)障礙物的避開，以及對(duì)未知障礙物的閃避都具有非常大挑戰(zhàn)性。

②最優(yōu)性：生成的路徑應(yīng)該具有時(shí)間效率高、路徑長(zhǎng)度短、能源消耗少。

③在線生成軌跡的能力：面對(duì)復(fù)雜環(huán)境或者窄縫，要求無(wú)人機(jī)能夠及時(shí)的更改路徑來(lái)應(yīng)對(duì)當(dāng)前環(huán)境或者說(shuō)應(yīng)當(dāng)動(dòng)態(tài)障礙物能夠及時(shí)避開。

④平滑性：這對(duì)于無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)可行是不可或缺的，這要求對(duì)于算法的近一步改進(jìn)，生成更適合無(wú)人機(jī)飛行的平滑路徑。