專利名稱：一種威脅信息共享環(huán)境下的無(wú)人機(jī)群實(shí)時(shí)航路規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)航路規(guī)劃方法，特別是涉及一種威脅信息共享環(huán)境下 的無(wú)人機(jī)群實(shí)時(shí)航路規(guī)劃方法。該方法屬于人工智能領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多無(wú)人機(jī)協(xié)作共同完成作戰(zhàn)任務(wù)是未來(lái)復(fù)雜敵對(duì)環(huán)境或戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境中無(wú)人機(jī)的主 要工作模式之一。威脅環(huán)境中的無(wú)人機(jī)航路規(guī)劃是無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)自主飛行進(jìn)而執(zhí)行作戰(zhàn)任 務(wù)的前提，是軍用無(wú)人機(jī)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。機(jī)群協(xié)同航路規(guī)劃就是在具有不確定性的 威脅環(huán)境中，最大限度地利用地形信息和敵情信息，綜合考慮無(wú)人機(jī)導(dǎo)航精度和機(jī)動(dòng)能力 的限制，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)為機(jī)群計(jì)算出盡可能有效避開(kāi)威脅、防止碰撞、代價(jià)較小的協(xié)同航 路，最終引導(dǎo)無(wú)人機(jī)群到達(dá)給定目標(biāo)位置。為了增加攻擊的突然性和快速性，一般要求無(wú)人機(jī)在盡量短的時(shí)間內(nèi)同時(shí)到達(dá)攻 擊地點(diǎn)并實(shí)施攻擊。面向同時(shí)到達(dá)問(wèn)題的多無(wú)人機(jī)協(xié)同航路規(guī)劃一般采用分布式分層規(guī)劃 結(jié)構(gòu)，將機(jī)群航路規(guī)劃分成協(xié)同決策層和航路規(guī)劃層兩層來(lái)實(shí)現(xiàn)。分布式規(guī)劃結(jié)構(gòu)如

圖1 所示。協(xié)同決策層主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制機(jī)群中各架無(wú)人機(jī)的時(shí)間、速度或剩余航路長(zhǎng)度， 航路規(guī)劃層為單架無(wú)人機(jī)規(guī)劃航路，保證機(jī)群中各架無(wú)人機(jī)都能找到一條既滿足協(xié)同要求 又避免碰撞(包括無(wú)人機(jī)位置和威脅區(qū)域相交以及無(wú)人機(jī)之間相撞)的航路，并能引導(dǎo)無(wú) 人機(jī)同時(shí)到達(dá)攻擊目標(biāo)點(diǎn)。一個(gè)機(jī)群存在一個(gè)協(xié)同決策層和多個(gè)航路規(guī)劃層，航路規(guī)劃層 的數(shù)量與無(wú)人機(jī)數(shù)量一致。協(xié)同決策層在地面站或由某一架特定的無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)，航路規(guī)劃 層作為獨(dú)立的模塊分布在所有無(wú)人機(jī)。一般情況下，機(jī)群中所有無(wú)人機(jī)的航路規(guī)劃層采用 相同的航路規(guī)劃方法，一般選擇采用較成熟的單機(jī)規(guī)劃方法(如A *算法、模糊推理的方法 等)進(jìn)行航路規(guī)劃。本項(xiàng)發(fā)明中航路規(guī)劃層采用一種基于反饋模糊推理的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)航路規(guī)劃方法 [名稱一種基于反饋模糊推理的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)航路規(guī)劃方法，申請(qǐng)?zhí)?01010264907. 0]?；?于反饋模糊推理的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)航路規(guī)劃方法在經(jīng)典模糊規(guī)則合成法的基礎(chǔ)上加入反饋機(jī) 制，使無(wú)人機(jī)在航路規(guī)劃中具有了自主學(xué)習(xí)的能力。將該方法應(yīng)用到單無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)航路規(guī) 劃中，取得了滿意的航路規(guī)劃效果。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的威脅信息是機(jī)群協(xié)同作戰(zhàn)的主要特點(diǎn)之一，威脅信息共享是指機(jī)群中的無(wú)人機(jī)在 執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，任一架無(wú)人機(jī)探測(cè)到的威脅信息都要廣播給機(jī)群中所有其他無(wú)人機(jī)， 實(shí)現(xiàn)機(jī)群對(duì)環(huán)境地圖的同步更新。無(wú)人機(jī)群威脅信息共享如圖2所示。威脅信息是航路規(guī) 劃中非常重要的環(huán)境信息，直接影響最終規(guī)劃的航路。威脅信息共享在一定程度上擴(kuò)大了 無(wú)人機(jī)的探測(cè)范圍，使得無(wú)人機(jī)對(duì)環(huán)境信息了解更多。直觀認(rèn)為，無(wú)人機(jī)獲得的環(huán)境信息越多，規(guī)劃的航路越趨向于全局最優(yōu)。但是將基于反饋模糊推理的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)航路規(guī)劃方法 應(yīng)用到多機(jī)協(xié)同航路規(guī)劃時(shí)部分無(wú)人機(jī)的航路出現(xiàn)不能收斂到目標(biāo)點(diǎn)的情況，如圖3 圖 5所示。導(dǎo)致這種現(xiàn)象發(fā)生的原因如下基于反饋模糊推理的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)航路規(guī)劃方法認(rèn) 為無(wú)人機(jī)偏航角的改變由躲避危險(xiǎn)(即PS)和向著目標(biāo)飛行(即GS)兩方面的因素決定。 無(wú)人機(jī)在某個(gè)位置一旦獲取了當(dāng)前環(huán)境信息，PS和GS就會(huì)被同時(shí)激活并進(jìn)行獨(dú)立決策，然 后通過(guò)分配兩種因素的權(quán)值而最終得到無(wú)人機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)角，由下述公式描述Δ θ = Wps · Δ θ ps+wGS · Δ θ GS(1)其中，Δ θ表示無(wú)人機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)角，Δ θ ps表示由PS決定的參考轉(zhuǎn)角，Δ 表 示由GS決定的參考轉(zhuǎn)角，wPS和表示二者所占的權(quán)重。其中基于反饋模糊推理的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)航路規(guī)劃方法對(duì)GS決定的參考轉(zhuǎn)角Δ θ GS 有兩種確定方式——對(duì)目標(biāo)飛行模式和威脅體邊界跟蹤模式。兩種模式的轉(zhuǎn)換條件為“如 果當(dāng)前在機(jī)-目連線上有威脅體存在，即無(wú)人機(jī)無(wú)法向著目標(biāo)飛行，無(wú)人機(jī)將按照威脅體 邊界跟蹤模式飛行；否則，無(wú)人機(jī)將按照對(duì)目標(biāo)飛行模式飛行”。這一轉(zhuǎn)換條件在單機(jī)航路 規(guī)劃時(shí)是可行的，因?yàn)閱螣o(wú)人機(jī)環(huán)境下無(wú)人機(jī)只能掌握當(dāng)前位置周圍探測(cè)半徑范圍內(nèi)的環(huán) 境信息，這一范圍內(nèi)的威脅是無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置需要考慮并回避的。但是多機(jī)協(xié)同威脅信息 共享環(huán)境下，無(wú)人機(jī)獲取的信息除了自身當(dāng)前位置周圍探測(cè)半徑范圍內(nèi)的環(huán)境信息，還包 括機(jī)群中其他無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置周圍探測(cè)半徑范圍內(nèi)的環(huán)境信息。即使在機(jī)-目連線上有威 脅體存在時(shí)，威脅體可能距離無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置很遠(yuǎn)，不會(huì)對(duì)當(dāng)前階段的飛行構(gòu)成威脅，但滿 足基于反饋模糊推理的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)航路規(guī)劃方法的模態(tài)轉(zhuǎn)換的條件，所以無(wú)人機(jī)切換到威 脅體邊界跟蹤模式，進(jìn)而轉(zhuǎn)入對(duì)距離最近的威脅區(qū)域的邊界跟蹤，導(dǎo)致出現(xiàn)圖3 圖5所示 的圍繞威脅區(qū)域轉(zhuǎn)圈而最終不能收斂到目標(biāo)點(diǎn)的現(xiàn)象。本發(fā)明的目的是為了提供一種威脅信息共享環(huán)境下的無(wú)人機(jī)群實(shí)時(shí)航路規(guī)劃方 法，它解決了威脅信息共享導(dǎo)致的模態(tài)轉(zhuǎn)換混亂問(wèn)題，消除了信息共享環(huán)境下不能收斂到 極點(diǎn)的現(xiàn)象，改善了威脅信息共享環(huán)境下多無(wú)人機(jī)協(xié)同航路規(guī)劃的效果。本發(fā)明通過(guò)引入 虛擬目標(biāo)技術(shù)將威脅信息共享環(huán)境下的無(wú)人機(jī)航路規(guī)劃進(jìn)行分段處理，通過(guò)虛擬目標(biāo)和全 局目標(biāo)的切換引導(dǎo)機(jī)群中的無(wú)人機(jī)同時(shí)到達(dá)全局目標(biāo)點(diǎn)。2、技術(shù)方案本發(fā)明一種威脅信息共享環(huán)境下的無(wú)人機(jī)群實(shí)時(shí)航路規(guī)劃方法，是對(duì)基于反饋模 糊推理的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)航路規(guī)劃方法在多無(wú)人機(jī)威脅信息共享應(yīng)用背景下的改進(jìn)方法。本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是在基于反饋模糊推理的基礎(chǔ)上引入虛擬目標(biāo)技術(shù)將無(wú)人機(jī) 航路規(guī)劃看作是躲避危險(xiǎn)PS、向著全局目標(biāo)飛行GS和向著虛擬目標(biāo)飛行VGS三種因素的綜 合作用。PS保證無(wú)人機(jī)能夠規(guī)避危險(xiǎn)，安全飛行；GS保證無(wú)人機(jī)最終能夠到達(dá)給定全局目 標(biāo)；VGS保證無(wú)人機(jī)能夠到達(dá)不同階段的虛擬目標(biāo)點(diǎn)。這三種因素共同影響無(wú)人機(jī)在當(dāng)前位置的轉(zhuǎn)角，并由下述公式描述Δ θ = Λ θ ps · Wps+ η · Δ θ GS · wGS+(l- η ) · Δ θ VGS · wVGS(2)= Δ θ ps . Wps+ [ n · Δ θ GS+(1- η) · Δ θ VGS] · (l_wPS)其中，Δ θ表示無(wú)人機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)角，Δ θ ps表示由PS決定的參考轉(zhuǎn)角，Δ 表 示由GS決定的參考轉(zhuǎn)角，Δ θ VGS表示由VGS決定的參考轉(zhuǎn)角。^jes和Wves表示三者所占的權(quán)重。n是一個(gè)布爾型變量，表示對(duì)全局目標(biāo)和虛擬目標(biāo)的選擇關(guān)系，n取值與模態(tài)選 擇關(guān)系如式(3)所示。
權(quán)利要求
1. 一種威脅信息共享環(huán)境下的無(wú)人機(jī)群實(shí)時(shí)航路規(guī)劃方法，其特征在于該方法具體 步驟如下步驟一初始化初始化是實(shí)現(xiàn)模糊規(guī)則庫(kù)的建立；這里有兩個(gè)參量是通過(guò)模糊推理得到的，分別是參 考轉(zhuǎn)角Δ θ ps及其權(quán)重Wps，因此需要建立兩個(gè)模糊規(guī)則庫(kù)；1、建立關(guān)于Δθ ps的模糊規(guī)則庫(kù)設(shè)無(wú)人機(jī)的探測(cè)范圍是一個(gè)半圓，其半徑為無(wú)人機(jī)的最大探測(cè)距離DR ；為使無(wú)人機(jī)能 夠區(qū)分左方、前方和右方的危險(xiǎn)，將無(wú)人機(jī)的探測(cè)范圍分成三個(gè)扇形區(qū)域，分別為左即中心 角度為60°、前即中心角度為0°和右即中心角度為-60°，用扇形危險(xiǎn)指數(shù)α來(lái)衡量每個(gè) 扇形區(qū)域的危險(xiǎn)程度；為計(jì)算某扇形區(qū)域的危險(xiǎn)指數(shù)α，首先在該扇形區(qū)域內(nèi)均勻地選取 η個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)Wi (i = 1，…，η)，然后計(jì)算每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的危險(xiǎn)系數(shù)P (Wi)，將各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的危險(xiǎn) 系數(shù)加起來(lái)就得到該扇形區(qū)域的危險(xiǎn)指數(shù)
2、建立關(guān)于wPS的模糊規(guī)則庫(kù)參考轉(zhuǎn)角△ θκ的權(quán)重Wps由所有當(dāng)前已知威脅信息對(duì)無(wú)人機(jī)環(huán)境的危險(xiǎn)程度決定； 無(wú)人機(jī)環(huán)境的危險(xiǎn)程度是指無(wú)人機(jī)全部探測(cè)范圍的危險(xiǎn)程度，在此用半圓危險(xiǎn)指數(shù)β。來(lái) 表示，半圓危險(xiǎn)指數(shù)β。用下式計(jì)算β c = α a f+ a r(8)將P。的大小分成η個(gè)等級(jí)，由此形成η個(gè)模糊集尺(i = 1，…，η)，相應(yīng)地，將wPS的 大小也分成η個(gè)等級(jí)，并形成η個(gè)模糊集(i = 1，…，η)，由此建立模糊規(guī)則庫(kù) 規(guī)則i 如果β c為代,那么^為^rs (i = 1，…，η)設(shè)規(guī)則i蘊(yùn)含的模糊關(guān)系為Riwps，由公式⑴得
3.判斷當(dāng)前機(jī)-目連線是否被威脅域阻擋，如果沒(méi)有阻擋則選擇全局目標(biāo)作為無(wú)人機(jī) 當(dāng)前階段飛行目標(biāo)，并賦值n = 1，同時(shí)轉(zhuǎn)7結(jié)束目標(biāo)規(guī)劃；如果機(jī)-目連線被威脅域阻擋， 則需要計(jì)算虛擬目標(biāo)，并把它作為現(xiàn)階段的飛行目標(biāo)，令η =0，同時(shí)繼續(xù)執(zhí)行4計(jì)算虛擬 目標(biāo)； 4.計(jì)算當(dāng)前飛行方向上第一個(gè)與機(jī)-目連線相交威脅連通區(qū)域TRCb; 5.計(jì)算無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置與威脅連通區(qū)域TRCb所有切線的切點(diǎn)，并分別保存逆時(shí)針和順 時(shí)針?lè)较驃A角最大的切線的切點(diǎn)W1和i ； 6.計(jì)算切點(diǎn)W1和Wr到給定全局目標(biāo)點(diǎn)的距離，并將距離較短的切點(diǎn)選作虛擬目標(biāo)； 7.結(jié)束目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃； 步驟三計(jì)算Δ θ ps和Wps參考轉(zhuǎn)角Δ θ ps其權(quán)重Wps通過(guò)基于反饋的模糊推理得到；模糊推理的前件是根據(jù) 無(wú)人機(jī)探測(cè)范圍內(nèi)三個(gè)扇形區(qū)域的危險(xiǎn)指數(shù)α ρ 、α f和αr;1將扇形危險(xiǎn)指數(shù)af模糊化通過(guò)將α ρ 、α f和αr模糊化得到模糊推理所需的模糊前件；由公式(5)計(jì)算出α f的值后，將α f模糊化，采用不同的模糊化算子，這里采用三角形模糊算子，通過(guò)確定兩個(gè)特征參數(shù)、和Ci2即將Cif模糊化；另外，若計(jì)算出Ci1為負(fù)值，則令μ (α) =0，α e [αι， 0)；2將半圓危險(xiǎn)指數(shù)β。模糊化首先由公式(8)計(jì)算β。的值，然后用三角形模糊算子將其模糊化，通過(guò)確定兩個(gè)特征參數(shù)^和β2即將β。模糊化，若計(jì)算出為負(fù)值，則令μ (β) =0，β e [βρΟ)； 3.模糊推理%和α。作為模糊前件，Δ θ ps*Wps作為模糊推理的后件，采用模糊推理得到模糊后件；模糊推理采用反饋模糊推理方法，使無(wú)人機(jī)在實(shí)時(shí)航路規(guī)劃中具備了自主學(xué)習(xí)能力； 在模糊推理中，加入反饋是使模糊規(guī)則庫(kù)能夠隨著環(huán)境的變化而不斷更新，這里提出一種可行的反饋策略；設(shè)給定模糊關(guān)系為R，無(wú)人機(jī)在
時(shí)間內(nèi)獲取的前件序列為{A°，A1,…，At-1I, 經(jīng)過(guò)反饋模糊推理得到的相應(yīng)的后件序列為{B°，B1,…，BtI，在t時(shí)刻獲取的前件為At ； 將t時(shí)刻的反饋信息Ft設(shè)計(jì)為
全文摘要
一種威脅信息共享環(huán)境下的無(wú)人機(jī)群實(shí)時(shí)航路規(guī)劃方法，該方法有七大步驟步驟一初始化；步驟二目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃；步驟三計(jì)算ΔθPS和wPS；步驟四解模糊；步驟五確定其余參量；步驟六確定無(wú)人機(jī)的下一個(gè)位置；步驟七設(shè)計(jì)結(jié)束。本發(fā)明解決了威脅信息共享導(dǎo)致的模態(tài)轉(zhuǎn)換混亂問(wèn)題，消除了信息共享環(huán)境下不能收斂到極點(diǎn)的現(xiàn)象，改善了威脅信息共享環(huán)境下多無(wú)人機(jī)協(xié)同航路規(guī)劃的效果。它通過(guò)引入虛擬目標(biāo)技術(shù)將威脅信息共享環(huán)境下的無(wú)人機(jī)航路規(guī)劃進(jìn)行分段處理，通過(guò)虛擬目標(biāo)和全局目標(biāo)的切換引導(dǎo)機(jī)群中的無(wú)人機(jī)同時(shí)到達(dá)全局目標(biāo)點(diǎn)。本發(fā)明構(gòu)思科學(xué)，容易實(shí)現(xiàn)，為工程應(yīng)用提供了一種簡(jiǎn)便實(shí)用和可靠的無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)航路規(guī)劃方法。
文檔編號(hào)G01C21/24GK102147255SQ201110005488
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月12日
發(fā)明者劉偉, 蔡開(kāi)元, 趙立蒙, 鄭征 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)