题目：基于流水避石原理的无人机三维航路规划与跟踪控制

        由于无人机在现代战争及民用领域都有着广阔的应用，使得无人机技术在世界范围内被广泛的关注和应用。无人机的航路规划是实现自主飞行的技术保障，是无人机顺利完成飞行任务的关键。随着无人机应用范围的扩大，航路规划的内容逐渐丰富，这也对航路规划技术提出了许多新的要求。本文主要针对无人机在复杂地形环境下执行低空飞行任务的要求，研究一种仿自然界流水避石原理的三维航路规划方法。

        针对复杂地形环境中的山峰、山岭、山丘和地面防空火力单元等威胁，通过地形预处理将其抽象为圆柱、圆锥、圆球、平行六面体等典型障碍形状及其组合体，并建立起这些障碍物形状的统一数学表述。

        借鉴自然界流水避石原理，将三维航路规划抽象为障碍物绕流的三维流线求解问题。首先构建流体动态系统的障碍扰动矩阵，解算得到单障碍情况下符合流体避障特性的三维流线，再通过流线速度加权和的方式将单障碍推广到多障碍情况。同时，分别针对单障碍和多障碍情况证明了所提方法在不改变流体特性前提下的避障特性，并通过附加作用力法和虚拟障碍法解决了绕流时出现的驻点问题及障碍物重叠时的停滞问题。最后，以航路距离和飞行高度作为子目标，利用遗传算法在三维避障流线集中对障碍物反应系数进行寻优，得到满足无人机飞行约束的最优三维航路。

        在所规划的三维航路基础上，完成三维航路跟踪控制系统的设计，分别设计了无人机纵向航路跟踪控制器以及横侧向航路跟踪控制器。通过将三维航路分解为纵向和横侧向两个方向，并利用分段Hermite插值对这两个方向上的航路点进行曲线平滑处理，得到两个方向上的曲线参考轨迹，然后通过实时计算高度指令和侧偏距指令给航路跟踪控制器，控制无人机跟踪参考航路。