【无人机】空地多无人平台协同路径规划技术研究附Matlab代码

1. 技术定义与核心挑战

空地多无人平台协同路径规划指无人机（UAV）与无人地面车辆（UGV）在三维空间与二维地面的协同路径规划，需满足时空协同、避障安全、资源优化等目标。其核心挑战包括：

1. 环境复杂性：三维地形、动态障碍物（如建筑物、雷达威胁）及气象干扰。
2. 多约束耦合：
   • 动力学约束：UAV/UGV速度、转向角、爬升率等物理限制。
   • 协同约束：多平台时空协同（如同时到达目标点）、通信带宽限制。
3. 不确定性处理：突发障碍物、任务动态更新、传感器噪声。
4. 优化目标冲突：路径最短、能耗最低、威胁最小等多目标需协同优化。

据研究统计，70%的协同失败案例源于未充分考虑时空协同约束。

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2. 主流协同路径规划算法分类与特点

根据技术原理，算法可分为三类：

2.1 基于图搜索的算法

算法	优势	局限性	适用场景
A*	全局最优、启发式高效	高维空间计算复杂度高	静态环境已知地图
D* Lite	动态环境实时重规划	存储开销大	战场侦察、灾害救援
Hybrid A*	融合动力学约束	实时性较差	无人车复杂地形

2.2 基于随机采样的算法

算法	创新点	协同扩展
RRT*	渐进最优、避障能力强	Bi-RRT（双向加速收敛）
PRM	高维空间预处理	Gaussian PRM（概率增强）
RRT-Connect	双树搜索效率提升50%	多无人机协同避障

RRT 在三维环境中路径质量提升30%*，但耗时增加。

2.3 智能优化算法

• 多目标优化模型：同时优化路径长度、威胁成本、能耗。
• 典型算法：
  • NSGA-III：高维多目标优化，解决权重主观性问题。
  • 改进麻雀算法（SSA） ：融合贝塞尔曲线平滑路径。
  • 协作蚁群算法：时空协同约束建模。
• 分布式强化学习：多智能体独立决策+协同通信，适应动态环境。

NSGA-III-ICO算法在协同性能上较传统算法提升22%。

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3. 协同仿真平台与Matlab实现案例

3.1 开源仿真工具链

平台	特点	支持接口
RflySim	全流程MBD开发、支持PX4/ROS	Matlab/Simulink自动代码生成
Gazebo	高逼真物理引擎、动态障碍物模拟	ROS-Matlab桥接
Webots	多传感器仿真、城市环境优化	Python-Matlab API

3.2 Matlab核心函数库

• 路径规划工具箱：
  • pathplanning.AStar（三维A*算法）
  • mobileRobotPRM（概率路线图）
• 协同控制模块：
  • multiRobotTaskAllocator（任务分配）
  • cooperativePathPlanning（时空协同约束）
• 优化算法：
  • fmincon（非线性约束优化）
  • gamultiobj（多目标遗传算法）

3.3 实现案例详解

场景：灾害救援中3架UAV+2辆UGV协同物资配送

% 步骤1：环境建模
map = occupancyMap3D(100,100,30); % 三维占据栅格地图
addObstacles(map, 'building', [30,50,10; 70,80,15]); 

% 步骤2：协同任务分配
tasks = ["A", "B", "C"]; % 物资点
[alloc, cost] = assignTasks(robots, tasks, 'Cost', @pathCost); 

% 步骤3：RRT*路径生成
planner = plannerRRTStar('StateSpace', stateSpaceSE3); 
for i = 1:numRobots
    path{i} = plan(planner, startPose{i}, goalPose{i}); 
    smoothPath{i} = bspline(path{i}); % B样条平滑
end

% 步骤4：时空同步
syncTime = max(pathLengths); % 以最长路径为基准
adjustVelocity(robots, path, syncTime); 

关键输出：B样条平滑路径+速度调整实现多平台同时到达。

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4. 研究趋势与挑战

1. 在线重规划：融合DRL的动态障碍物响应。
2. 异构平台协同：UAV/UGV不同动力学模型的统一优化框架。
3. 通信-规划一体化：5G网络下低延迟协同控制。
4. 开源数据集：
   • Urban3D（城市环境点云）
   • SwarmBench（多机协同基准测试）。

未解决难题：

• 动态环境中的理论最优性证明
• 大规模集群（>100平台）的实时计算瓶颈

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附：Matlab代码资源推荐

1. 官方工具箱：
   • UAV Toolbox（三维路径规划案例库）
   • Robotics System Toolbox（多机器人协同仿真）
2. 开源项目：
   • RflySim-Matlab（北航开源空地协同平台接口）
   • SwarmPathPlanning（NSGA-III多目标优化实现）