基于快速凸包算法的4D航迹规划研究

论文摘要

随着科技和经济的蓬勃发展,全球航空运输需求日益增长,民用航空器数量和空中交通流量的持续不断增加导致空中交通网络日趋拥挤,现有空中交通管理面临着严峻的挑战。4D航迹规划(4D Trajectory Planning)作为未来基于轨迹运行(Trajectory Based Operation,TBO)的关键技术,被广泛关注与研究。本文主要围绕4D航迹规划中航空器改航(Rerouting)策略及多航空器的冲突探测与解脱(Conflict Detection and Resolution,CD&R)问题进行研究,创新性地将快速凸包算法(Quickhull Algorithm)应用于航空器4D航迹规划中,为4D航迹规划提供了一种全新的解决方案。凸包(Convex Hull)由于其特殊性质被广泛应用于路径规划问题中,但在航迹规划问题中仍研究尚少。本文对凸包及其相关概念进行了介绍,并将Jarvis步进法、Graham扫描法、增量法和分治法等经典凸包算法进行了对比分析,说明快速凸包算法在航迹规划问题中的应用优势。在航空器改航策略中,快速凸包算法用于航迹空间的简化,使其复杂度大大下降。然后,采用快速凸包思想确定可行域搜索范围,相比于传统算法,此算法在保障飞行安全的基础上提高了空域的利用率,优化了Dijkstra最短路径搜索算法的可行域空间。在多航空器的冲突探测与解脱问题中,我们考虑航空器可能发生的机动组合,并利用快速凸包算法生成凸包以描述航迹预测过程中的不确定性。通过凸包间的相交情况,航空器的冲突情况得以判断。最后通过约束条件与航迹评价函数构建航空器冲突解脱模型,并采用分支限界法(Branch and Bound Algorithm)进行冲突解脱。仿真实验表明,本算法对航空器冲突解脱问题具有高效性及鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 4D航迹规划研究现状
•     1.2.2 凸包算法研究现状
•   1.3 本文主要研究内容
• 第二章 快速凸包算法概述
•   2.1 凸包及其相关概念
•     2.1.1 凸集的定义与性质
•     2.1.2 凸包的定义与性质
•     2.1.3 其他相关概念
•   2.2 经典凸包算法
•     2.2.1 Jarvis步进法
•     2.2.2 Graham扫描法
•     2.2.3 增量法
•     2.2.4 分治法
•   2.3 快速凸包算法
•     2.3.1 快速凸包算法框架
•     2.3.2 快速凸包算法复杂度分析
•   2.4 凸包算法优缺点分析
•   2.5 本章小结
• 第三章 基于快速凸包算法的航空器改航策略
•   3.1 问题描述
•   3.2 基于Voronoi算法的改航策略
•   3.3 基于快速凸包算法的改航策略
•     3.3.1 算法技术路线
•     3.3.2 障碍物空间优化
•     3.3.3 可行路径建立
•     3.3.4 最优路径搜索
•     3.3.5 仿真实验与分析
•   3.4 本章小结
• 第四章 基于快速凸包算法的多航空器无冲突4D航迹规划
•   4.1 问题描述
•   4.2 航迹预测模型
•     4.2.1 飞行不确定性分析
•     4.2.2 基于快速凸包算法的航迹预测
•   4.3 冲突探测模型
•     4.3.1 冲突情况分析
•     4.3.2 基于凸包的冲突判断矩阵
•   4.4 冲突解脱模型
•     4.4.1 模型建立
•     4.4.2 基于分支限界算法的冲突解脱
•   4.5 仿真实验与分析
•   4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 武伟璐

导师: 赵嶷飞

关键词: 航迹规划,快速凸包算法,改航,冲突探测与解脱

来源: 中国民航大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,航空航天科学与工程

单位: 中国民航大学

分类号: V355.1;O221

DOI: 10.27627/d.cnki.gzmhy.2019.000160

总页数: 73

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