摘要
针对小型无人机在战场区域侦察中的应用，提出了一种车机协同完成多区域覆盖侦察任务的新模式，汽车充当无人机的移动平台，携带无人机完成多个区域的扫描侦察任务。应用0-1整数规划建模技术，建立了优化汽车地面行驶路径和无人机空中飞行扫描路径的数学优化模型。设计了一种三阶段启发式算法，以快速求解车机路径规划方案。最后应用一个包含20个侦察区域的案例，验证了车机协同模式的优势和三阶段算法的有效性。
在现代战争中，无人驾驶飞机具有成本低、生存能力强、无人员损失风险、机动性好等优点，被广泛用于执行枯燥、恶劣、危险的作战任务，已经成为世界各国战场侦察的重要工具[1]，并在第四次中东战争、海湾战争、科索沃战争和后来的伊拉克战争中发挥了重要的作用[2]。
无人机战场侦察是利用无人机获取战场信息的活动，其中路径规划是无人机执行侦察任务的关键支撑技术，是无人机侦察任务规划领域的重要研究课题[3]。当前无人机侦察路径规划研究主要针对地面固定目标的侦察任务进行路径优化[4]。此外，也有一些考虑敌方雷达探测和地面障碍物的规避路径[5]，以及目标的侦察时间约束[6]等贴近战场实际情况的研究，研究领域也从单无人机向多无人机协同方向发展[7]。在实际战场侦察中，除了固定点目标，有些时候还需要获取某些特定区域内的所有详细信息，此时一般应用小型无人机对整个侦察目标区域进行覆盖扫描。小型无人机具有成本低、隐蔽性好、可以低空高精度扫描等优点，在*事和民用领域的区域覆盖扫描中有着广泛的应用[8]。龙国强等[9]提出集中式预先规划与分布式局部在线再规划相结合的方法，解决多无人机协同区域覆盖侦察问题。吴青坡等[10]研究了如何提高对复杂区域的侦察效率，高春庆等[11]首先将含障碍物的区域单元格化，然后为每一架无人机划分子覆盖区域，最后使用最小生成树的方法为每个子区域规划侦察路径。在民用方面，如评估灾区的破坏情况[12]，观察农业生产中的作物生长情况[13]和地形图的测绘[14]等，都需要优化无人机对目标区域的扫描路径。
当前无人机区域覆盖研究中，大多研究无人机如何对一个区域进行覆盖，通过规划无人机飞行路径，以尽可能低的成本完成整个区域的覆盖扫描[15]。很多时候，需要对多个战场区域进行扫描侦察，当多个区域分散在大范围战场的不同位置时，小型无人机续航能力低成为其完成任务的关键制约因素。
为了扩大小型无人机执行侦察任务的范围以完成多区域覆盖侦察任务，引入汽车作为无人机的移动平台，携带无人机在战场上进行大范围机动，构建车机协同战场侦察系统。汽车作为无人机的指控与保障平台，携带无人机从一个侦察区域机动到另一个侦察区域，并在机动过程中为无人机充电或更换电池。当汽车携带无人机达到某个目标侦察区域附近时，无人机从汽车起飞，飞到侦察区域上空完成该区域的覆盖侦察后返回汽车。汽车和无人机的结合可以有效扩大小型无人机的任务范围，提高战场多区域侦察的效率。Grocholsky等[16]为汽车和无人机协作进行空中和地面监视构建了模型和算法框架。罗志浩、刘忠等[17]建立了一个由地面车辆和无人机协作对多个点目标执行情报，监视和侦察（ISR）任务的数学模型，并通过试验表明车机协同模式可以显著提高ISR任务的完成效率。在民用领域，刘瑶等[18]使用模拟退火算法求解车载无人机协同配送的双层路径规划问题。Tokekar等人[19]结合了地面车辆和无人机的优势，设计了一个用于在农场的特定位置收集氮含量的系统，可以帮助农民有效减少肥料的使用。汽车和小型无人机协同系统在执行多种*事和民用领域的任务中具有显著优势。
当前车机协同路径规划的研究主要