一種分布式控制無人機(jī)群集中分簇編隊(duì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種分布式控制無人機(jī)群集中分簇編隊(duì)方法，包括以下步驟：1、確定任務(wù)鏈中每個任務(wù)無人機(jī)群任務(wù)性質(zhì)并根據(jù)飛行環(huán)境確定可行的無人機(jī)編隊(duì)形式；2、從可行的編隊(duì)形式中，對無人機(jī)群創(chuàng)建編隊(duì)的優(yōu)化優(yōu)先集并建模，根據(jù)不同的任務(wù)目標(biāo)確定各任務(wù)的靜態(tài)或者動態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集；3、根據(jù)任務(wù)的優(yōu)化指標(biāo)從靜態(tài)優(yōu)化集或者動態(tài)優(yōu)化集的編隊(duì)方式中選出符合性能指標(biāo)的最優(yōu)任務(wù)隊(duì)形或者次優(yōu)任務(wù)隊(duì)形。由本發(fā)明實(shí)施的方法可以高效、智能、靈活的變換和選用無人機(jī)群的協(xié)作隊(duì)形，具有安全、穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種分布式控制無人機(jī)群集中分簇編隊(duì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及隊(duì)形為簇集中式的多任務(wù)無人機(jī)群隊(duì)形變換和控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種分布式控制無人機(jī)群集中分簇編隊(duì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]無人機(jī)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中重要的作戰(zhàn)武器，在一定范圍內(nèi)能夠代替有人機(jī)執(zhí)行多種復(fù)雜和危險的任務(wù)，然而在未來戰(zhàn)爭中僅靠單架無人機(jī)自主作戰(zhàn)無法適應(yīng)復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境。而具備有效協(xié)同策略的無人機(jī)編隊(duì)能更好的完成任務(wù)。因?yàn)槎嗉軣o人機(jī)構(gòu)成的無人機(jī)群能夠減小整體飛行阻力，使無人機(jī)群在氣動效率、打擊效果、成功率、偵測范圍及規(guī)避概率均有提升。從而是無人機(jī)群能夠在執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)、多任務(wù)和復(fù)雜環(huán)境下具有相對大的活動范圍、任務(wù)完成概率以及保障性。但是無人機(jī)群執(zhí)行各種不同任務(wù)時會存在隊(duì)形選擇和任務(wù)指標(biāo)優(yōu)化問題。首先，無人機(jī)群執(zhí)行不同任務(wù)時，不同隊(duì)形選擇不但會影響該任務(wù)的執(zhí)行效果，而且會對任務(wù)鏈中下一個任務(wù)產(chǎn)生額外的作用。特別是在同一區(qū)域執(zhí)行不同的任務(wù)時，及時的隊(duì)形變換可以使機(jī)群安全性提高，還能提升任務(wù)的執(zhí)行效率。其次，對于一些突發(fā)的、額外的事件隊(duì)形變換有時是必須的、重要的。然而各任務(wù)的隊(duì)形優(yōu)化的存在性以及各任務(wù)優(yōu)化與任務(wù)整體的優(yōu)化關(guān)系；對于分布式控制、固定結(jié)構(gòu)編隊(duì)的隊(duì)形控制隨著任務(wù)的執(zhí)行是否存在能進(jìn)行時時動態(tài)調(diào)整優(yōu)化構(gòu)成動態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集也是當(dāng)前的關(guān)鍵問題。因此無人機(jī)群隊(duì)形對各種不同任務(wù)的影響成為不可忽略的關(guān)鍵問題之一。
[0003]早期的較多研究僅僅簡單的考慮任務(wù)對無人機(jī)編隊(duì)隊(duì)形的控制，主要工作一般是假定各任務(wù)條件下，機(jī)群以每架無人機(jī)為一節(jié)點(diǎn)，或者以長機(jī)、僚機(jī)形式進(jìn)行編隊(duì)控制，然而對已知任務(wù)目標(biāo)的預(yù)先規(guī)劃，從而使無人機(jī)群在任務(wù)中保持某些指標(biāo)最優(yōu)化，例如航程最大化等等。目前無人機(jī)群隊(duì)形控制，隊(duì)形變換主要集中在單機(jī)單獨(dú)考慮的研究方向，即從單架無人機(jī)為一簇點(diǎn)方面考慮對任務(wù)性質(zhì)的劃分進(jìn)行固定或者半固定隊(duì)形的航路規(guī)劃；另一方面僅針對長、僚機(jī)雙擊結(jié)構(gòu)需要完成任務(wù)進(jìn)行隊(duì)形的協(xié)調(diào)工作，而無人機(jī)群在分布控制每簇，簇內(nèi)集中編隊(duì)這種聯(lián)合狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)的可行性與優(yōu)化研究較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術(shù)問題之一或者至少提供一種有用的構(gòu)建方式。為此，本發(fā)明提出了一種具有安全性、可靠性和操作性好的分布式控制無人機(jī)群集中分簇編隊(duì)方法，使得該方法下無人機(jī)群能夠最優(yōu)或者次優(yōu)完成任務(wù)。其技術(shù)方案如下所述:
[0005]一種分布式控制無人機(jī)群集中分簇編隊(duì)方法，包括以下步驟:
[0006]I)設(shè)定無人機(jī)群的初始參數(shù)，如機(jī)群數(shù)量，無人機(jī)性能等；確定無人機(jī)群的任務(wù)鏈中各子任務(wù)的任務(wù)性質(zhì)，并根據(jù)飛行環(huán)境確定無人機(jī)群在各子任務(wù)中的允許編隊(duì)形式，初步構(gòu)成靜態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集；
[0007]2)對所述無人機(jī)群在各子任務(wù)中的允許編隊(duì)形式進(jìn)行建模，確定每一種編隊(duì)形式所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得出在所述任務(wù)鏈中各子任務(wù)環(huán)境下每簇?zé)o人機(jī)的預(yù)定任務(wù)配置與拓?fù)淠Ｐ?，并從中建立?duì)形轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)形式，每簇的任務(wù)性質(zhì)不同會對編隊(duì)的選擇方式和轉(zhuǎn)換方式有很大影響，然后從整體到局部對無人機(jī)群的編隊(duì)形式采取最優(yōu)或者次優(yōu)編隊(duì)控制策略；
[0008]3)當(dāng)某個子任務(wù)出現(xiàn)突發(fā)情況時，對靜態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集進(jìn)行重構(gòu)、擴(kuò)展或者收縮，并選擇其他有效編隊(duì)形式，從而構(gòu)成動態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集。
[0009]步驟I)中，所述靜態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集包括項(xiàng)目有:任務(wù)性質(zhì)確定的無人機(jī)群、每簇的具體功能以及移動性、快速性、機(jī)群的簇點(diǎn)、聯(lián)接拓?fù)洹⑼負(fù)渥儞Q策略。
[0010]進(jìn)一步的，無人機(jī)群的每簇為任務(wù)性質(zhì)單一的子簇或者多性質(zhì)組成的混成簇，其中每簇的具體功能包括:1、目標(biāo)偵測；11、火力掩護(hù)；111、機(jī)動備用；IV、干擾與反干擾；v、隊(duì)形協(xié)調(diào)與控制；V1、簇點(diǎn)轉(zhuǎn)移；VI1、任務(wù)中突發(fā)情況的隊(duì)形應(yīng)急分配。
[0011]所述無人機(jī)群的隊(duì)形控制由每簇協(xié)調(diào)控制，其中控制信號的通訊、隊(duì)形策略會受到隊(duì)形拓?fù)浜完?duì)形序列的限制；對于有突發(fā)情況的隊(duì)形應(yīng)急調(diào)整策略，各簇非中心無人機(jī)也可參與控制和協(xié)調(diào)，每簇的具體隊(duì)形會受靜態(tài)優(yōu)先級的解集限制；構(gòu)建動態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集時，某些節(jié)點(diǎn)間無直接的信息聯(lián)系，因此只能包括構(gòu)成靜態(tài)優(yōu)先集中一些隊(duì)形，動態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集一般是靜態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集的子集；每簇簇內(nèi)采用集中式編隊(duì)方法，簇中心在簇內(nèi)轉(zhuǎn)移由簇內(nèi)各無人機(jī)按照分配的具體任務(wù)共同參與協(xié)調(diào)確定。
[0012]所述無人機(jī)群的隊(duì)形控制協(xié)調(diào)模式包括:1、同一任務(wù)功能協(xié)調(diào)；11、機(jī)動備用協(xié)調(diào)；111、不同任務(wù)間功能轉(zhuǎn)換協(xié)調(diào)；
[0013]對于每簇包含多種任務(wù)性質(zhì)的編隊(duì)方式，首先將簇內(nèi)的無人機(jī)按功能分層為:1、中心控制層；11、目標(biāo)任務(wù)實(shí)施簇，如目標(biāo)打擊型任務(wù)則可選取目標(biāo)打擊簇為第二層；111、火力掩護(hù)簇；IV、干擾與反干擾簇；V、目標(biāo)偵測；V1、機(jī)動備用；其次，中心控制層優(yōu)先在簇內(nèi)進(jìn)行任務(wù)協(xié)調(diào)并處理靜態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集的隊(duì)形分配；再次，中心控制層與高優(yōu)先層的無人機(jī)可從低到高調(diào)用機(jī)動備用直至中心控制層，從而快速的處理動態(tài)的優(yōu)化優(yōu)先集，達(dá)到功能與隊(duì)形的可靠轉(zhuǎn)換；最后除中心控制層應(yīng)急處理突發(fā)情況外，不進(jìn)行越級功能轉(zhuǎn)換控制和簇中心轉(zhuǎn)移；
[0014]每簇只包含單一任務(wù)性質(zhì)的編隊(duì)方式，按照任務(wù)性質(zhì)由各簇協(xié)調(diào)后將具體任務(wù)分配給每簇，每簇簇內(nèi)的中心機(jī)能夠靈活指定，并采用分層管理，也能夠采用平行協(xié)調(diào)方式處理簇內(nèi)各無人機(jī)任務(wù)目標(biāo)；
[0015]任務(wù)性質(zhì)單一的各簇，在簇間協(xié)調(diào)優(yōu)先在同一性質(zhì)的各簇進(jìn)行；任務(wù)性質(zhì)混成簇在簇間任務(wù)轉(zhuǎn)換由隊(duì)形和各簇協(xié)調(diào)控制決定。
[0016]步驟3)中形成動態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集的方法如下所述:當(dāng)任務(wù)鏈各子任務(wù)能夠獨(dú)立時，按照每個子任務(wù)優(yōu)化進(jìn)行，即只對任務(wù)進(jìn)行靜態(tài)優(yōu)化；當(dāng)存在時間要求或者隊(duì)形要求時，按照每簇的預(yù)分配模式規(guī)劃動態(tài)優(yōu)先集；對緊急情況的隊(duì)形處理需要有直接關(guān)聯(lián)的各簇和各簇中心聯(lián)合協(xié)調(diào)，按照隊(duì)形拓?fù)渥兓钚〖搓?duì)形變化前后相似程度最大、各簇移動距離最短、各簇同性質(zhì)任務(wù)間優(yōu)先變換、有直接鏈接簇點(diǎn)變化的順序進(jìn)行。
[0017]根據(jù)本發(fā)明所示的方法，可以使得該方法下無人機(jī)群能夠以相應(yīng)隊(duì)形達(dá)到具體的優(yōu)化指標(biāo)或者應(yīng)次優(yōu)形式完成任務(wù)。
[0018]本發(fā)明的部分優(yōu)化形式能夠確保任務(wù)的某些任務(wù)指標(biāo)明顯改善，從本發(fā)明的具體示例或者由此的實(shí)踐中可以相印證。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的分布式控制無人機(jī)群集中分簇編隊(duì)構(gòu)建的流程圖；
[0020]圖2為本發(fā)明的任務(wù)鏈隊(duì)形控制流程圖；
[0021]圖3為本發(fā)明中無人機(jī)群分簇編隊(duì)的機(jī)群優(yōu)先集構(gòu)建流程圖；
[0022]圖4是本發(fā)明中無人機(jī)群隊(duì)形變換流程圖；
[0023]圖5a是本發(fā)明中隊(duì)形變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換實(shí)施例1 ;
[0024]圖5b是本發(fā)明中隊(duì)形變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換實(shí)施例2。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的具體示意例，相應(yīng)流程圖與結(jié)構(gòu)都在附圖中顯示。其中自始至終相同或者類似的標(biāo)號表示相同或者類似的組成部分或具有相同或者類似功能的組件。以下通過描述附圖所代表的示例，僅僅作為該方法的參考性舉例，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
[0026]下文公開提供了一種特定具體的例子對本發(fā)明的方法進(jìn)行描述，僅僅是為了更加詳細(xì)明顯的對本發(fā)明的公開，但該種具體簡化示例僅僅作為示例，不能限制于該示例。本發(fā)明所公開方法可提供許多不同的示例和實(shí)例用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)，模型，其中的組件和設(shè)置描述；并且所對應(yīng)的推廣目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明中的示例可以引申為其余不同的示例中相對應(yīng)的數(shù)字或者字母，此種以特定數(shù)字或者字母表示僅為簡化和清楚目的，不能以此為限制或本身不指示所討論的示例本質(zhì)或者設(shè)置之間的關(guān)系。本發(fā)明所涉及示例中的各種特定工藝與材料為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員常用的、普通的技術(shù)手段。
[0027]本發(fā)明的描述中，除特別的注釋，其術(shù)語均為廣義理解，如:網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械倪B接與指令信息交互，可以為各種可能的聯(lián)系或者連接方式，即可以直接通信或通過地面、衛(wèi)星等手段通信，視具體情況理解示例中上述術(shù)語的具體含義。
[0028]參照附圖及以下描述與說明能夠更加清晰直觀理解本發(fā)明的具體示例的相應(yīng)方面。具體示例中僅用到一些具體的，特定的實(shí)施方式來表明此發(fā)明的原理及可行性，但這些不應(yīng)作為對本發(fā)明的限制，相反，本發(fā)明的具體示例中衍生的，包括落入所附加權(quán)利要求書的精神和內(nèi)涵范圍內(nèi)的所有變換、修改和等同物。
[0029]下面將參照附圖詳細(xì)的描述根據(jù)本發(fā)明具體實(shí)施例顯示的分布式控制無人機(jī)群集中分簇編隊(duì)建模和構(gòu)建方法。
[0030]如圖1所示的一種分布式控制無人機(jī)群集中分簇編隊(duì)構(gòu)建方法包括如下步驟:
[0031]步驟E101，根據(jù)任務(wù)性質(zhì)及無人機(jī)群飛行環(huán)境判斷無人機(jī)群的允許編隊(duì)形式。
[0032]在其他文獻(xiàn)示例中，對無人機(jī)群編隊(duì)的協(xié)同控制僅考慮到同一區(qū)域的不同任務(wù)進(jìn)行一次性編隊(duì)控制，且局限于目標(biāo)偵測的路徑規(guī)劃方面，其中的例子機(jī)群無人機(jī)數(shù)量較少，目標(biāo)打擊行為是獨(dú)立行動，如文獻(xiàn):基于多任務(wù)的無人機(jī)編隊(duì)控制研究；或者只根據(jù)不同區(qū)域同一任務(wù)，通常為目標(biāo)打擊或者目標(biāo)偵測等路徑規(guī)劃，即巡航中指標(biāo)安全性最高的路徑最優(yōu)化等。但對無人機(jī)群分簇編隊(duì)每簇中含多架無人機(jī)的編隊(duì)變換，特別是有隊(duì)形序列限制的任務(wù)隊(duì)形轉(zhuǎn)換研究較少。在本文示例中隊(duì)形協(xié)同與變換項(xiàng)目包括但不限于無人機(jī)群集中式分簇模式中每簇為單一任務(wù)性質(zhì)，也可每簇為多個任務(wù)性質(zhì)的無人機(jī)混成系統(tǒng)，任務(wù)間可以獨(dú)立也可以相關(guān)聯(lián)；或者在這兩種結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換或者局部轉(zhuǎn)換執(zhí)行相關(guān)聯(lián)的不同任務(wù)、突發(fā)任務(wù)等。這里主要對無人機(jī)群分簇編隊(duì)方式進(jìn)行研究和構(gòu)建。包括任務(wù)對每一簇的功能設(shè)定，編隊(duì)在任務(wù)鏈的各任務(wù)中可行性，機(jī)群編隊(duì)對應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。進(jìn)一步無人機(jī)群的具體簇編隊(duì)形式主要有:固定和自由編隊(duì)模式；在本發(fā)明中控制結(jié)構(gòu)采用固定編隊(duì)與分層式結(jié)構(gòu)。簇功能設(shè)定包括:任務(wù)分配策略、調(diào)整策略、功能轉(zhuǎn)換策略、隊(duì)形轉(zhuǎn)換路徑選擇策略、隊(duì)形優(yōu)化策略等。協(xié)同控制部分為整體控制隊(duì)形調(diào)整方面，主要針對靜態(tài)的隊(duì)形優(yōu)化優(yōu)先集；具體包括:無人機(jī)群任務(wù)地形隊(duì)形限制、機(jī)群隊(duì)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建和任務(wù)總體配置。
[0033]步驟E102，從任務(wù)鏈各子任務(wù)中按照優(yōu)化集列出所有可行的編隊(duì)形式，并由此對無人機(jī)群編隊(duì)進(jìn)行建模，確定每一種編隊(duì)模式對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而可得出在所述任務(wù)環(huán)境下每簇?zé)o人機(jī)的預(yù)定任務(wù)配置與拓?fù)淠Ｐ?，并從中建立?duì)形轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)形式。在其他文獻(xiàn)中(航路規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)研究，基于空間分解網(wǎng)絡(luò)的無人機(jī)航路規(guī)劃，無人機(jī)緊密編隊(duì)隊(duì)形構(gòu)成控制，無人機(jī)的偵查航路規(guī)劃，無人機(jī)航路規(guī)劃，無人機(jī)航路規(guī)劃問題初步研究)，多架無人機(jī)編隊(duì)形式主要對單一任務(wù)，如航程最短為指標(biāo)的路徑規(guī)劃；僅文獻(xiàn)《基于多任務(wù)的無人機(jī)編隊(duì)控制研究》提及多任務(wù)，但其示例只針對偵測階段的隊(duì)形優(yōu)化，且僅討論單架無人機(jī)組成的隊(duì)形，而隨后的攻擊部分是各架無人機(jī)獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)的。本發(fā)明構(gòu)建的模型首先是建立在分簇編隊(duì)模式上，其中忽略具體的控制系統(tǒng)，多任務(wù)中各任務(wù)均進(jìn)行隊(duì)形控制，并進(jìn)行任務(wù)鏈總體與局部優(yōu)化。
[0034]步驟E103，根據(jù)任務(wù)設(shè)定的每簇?zé)o人機(jī)建立相應(yīng)的隊(duì)形優(yōu)化策略，并根據(jù)任務(wù)鏈間隊(duì)形序列等限制因素對隊(duì)形優(yōu)化集進(jìn)行篩選，從而進(jìn)一步可依照任務(wù)鏈中各不同的預(yù)定任務(wù)從整體到局部采取最優(yōu)或者次優(yōu)編隊(duì)控制策略。機(jī)群具體可采取整體分布式控制、簇內(nèi)集中控制(主要由簇中心實(shí)現(xiàn))和受隊(duì)形序列限制的隊(duì)形變換控制模式以對整體隊(duì)形進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。針對不同的任務(wù)鏈可從整體到局部采用不同的合理控制方式，如偵測等單一任務(wù)性質(zhì)的總體任務(wù)，其任務(wù)鏈中各子任務(wù)都是偵測性質(zhì)，因此優(yōu)化目標(biāo)可從整體設(shè)定為航程最小化下航路規(guī)劃，此時應(yīng)用分布式控制就能完成任務(wù)要求的隊(duì)形配置。但對于任務(wù)性質(zhì)各異，如含偵測、預(yù)警、打擊、支援等多性質(zhì)任務(wù)時，則需要整體與局部，即集中式和分布式雙重控制編隊(duì)隊(duì)形優(yōu)化，分布式控制功能為無人機(jī)群任務(wù)鏈優(yōu)化，即任務(wù)性質(zhì)復(fù)雜時任務(wù)整體所限定的隊(duì)形與調(diào)整方式；集中控制功能為各簇任務(wù)性質(zhì)設(shè)定調(diào)整；隊(duì)形序列的限制在任務(wù)鏈各任務(wù)隊(duì)形變換時給出，選擇條件能限定隊(duì)形調(diào)整策略。
[0035]參照圖2，一種分布式控制無人機(jī)群集中分簇編隊(duì)控制結(jié)構(gòu)包括:
[0036]任務(wù)鏈及隊(duì)形序列限制模塊，用于無人機(jī)群整體任務(wù)規(guī)劃及隊(duì)形限制因素判斷；
[0037]任務(wù)鏈整體規(guī)劃為既定任務(wù)下可選的隊(duì)形，如當(dāng)任務(wù)鏈各子任務(wù)區(qū)域相距較遠(yuǎn)，則即使存在其他局部任務(wù)優(yōu)化隊(duì)形，但為保證在一定載彈量或燃油前提下，只能優(yōu)先選用節(jié)油型隊(duì)形；隊(duì)形序列限制規(guī)劃包括當(dāng)任務(wù)鏈中某兩個或者多個任務(wù)，有通信延時或者傳輸干擾等限制因素而無法正常進(jìn)行隊(duì)形調(diào)整，則需要對預(yù)先目標(biāo)進(jìn)行可行的編隊(duì)方式加入隊(duì)形序列限制規(guī)劃。
[0038]空間規(guī)劃及任務(wù)性質(zhì)模塊，用于無人機(jī)群可行隊(duì)形判斷。任務(wù)性質(zhì)可預(yù)先設(shè)定或提前給出，如以偵測、偵測+巡航、偵測+火力攻擊等任務(wù)模式時給定機(jī)群每簇任務(wù)及可行編隊(duì)?？臻g規(guī)劃包括任務(wù)執(zhí)行區(qū)域的環(huán)境限制，即是否存在高山或者在峽谷執(zhí)行任務(wù)等，這些都對隊(duì)形的選擇有所限制。當(dāng)任務(wù)是在峽谷中執(zhí)行偵測任務(wù)或者火力打擊任務(wù)時，松散的橫隊(duì)隊(duì)形必然為不可實(shí)現(xiàn)的編隊(duì)模式，因此任務(wù)性質(zhì)及空間限定對編隊(duì)也存在影響。
[0039]控制部分，用于從可行的隊(duì)形中組成隊(duì)形優(yōu)先集，從而選擇整體或局部最優(yōu)、次優(yōu)的隊(duì)形方式。
[0040]其中，靜態(tài)優(yōu)先集用于編隊(duì)優(yōu)先集建立，其包含空間規(guī)劃及任務(wù)性質(zhì)規(guī)劃，最終形成各子任務(wù)對應(yīng)的靜態(tài)優(yōu)先集鏈，并且初步設(shè)定任務(wù)簇分配及隊(duì)形變換時簇間變換，隊(duì)形序列限制模塊用于任務(wù)鏈間任務(wù)隊(duì)形限制條件下切換規(guī)劃及突發(fā)情況的應(yīng)急處理，并反饋實(shí)際隊(duì)形給靜態(tài)優(yōu)先集，從而篩選出任務(wù)鏈中各隊(duì)形的前后相互影響，最后形成動態(tài)優(yōu)先集。
[0041]首先通過預(yù)先任務(wù)目標(biāo)對任務(wù)鏈進(jìn)行初步規(guī)劃與安排，可從已知的信息和其它資料得出任務(wù)鏈各任務(wù)執(zhí)行地區(qū)的地理和天氣情況。這樣可以得出環(huán)境限制下的可行性隊(duì)形；其次，根據(jù)各任務(wù)性質(zhì)，如偵測任務(wù)、打擊任務(wù)等對各任務(wù)進(jìn)行簇的任務(wù)設(shè)定，由此兩項(xiàng)進(jìn)行隊(duì)形靜態(tài)規(guī)劃，組成一個靜態(tài)的優(yōu)化優(yōu)先集。
[0042]每簇的具體功能包括:1、目標(biāo)偵測；11、火力掩護(hù)；111、機(jī)動備用；IV、干擾與反干擾；v、隊(duì)形協(xié)調(diào)與控制；V1、簇點(diǎn)轉(zhuǎn)移；VI1、任務(wù)中突發(fā)情況的隊(duì)形應(yīng)急分配。
[0043]指定執(zhí)行任務(wù)的機(jī)群無人機(jī)數(shù)量，給出優(yōu)先集中各隊(duì)形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、航程、最大攜彈量、最大爬升角等無人機(jī)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)及某些任務(wù)的執(zhí)行時間。對于固定執(zhí)行時間的任務(wù)也應(yīng)納入靜態(tài)規(guī)劃部分。此時任務(wù)模塊經(jīng)空間規(guī)劃與任務(wù)性質(zhì)模塊，可由分布式控制模式各簇協(xié)調(diào)給出一個靜態(tài)的優(yōu)化優(yōu)先集。
[0044]所述無人機(jī)群的隊(duì)形控制由每簇協(xié)調(diào)控制，每簇的具體隊(duì)形受靜態(tài)優(yōu)化優(yōu)先級的解集限制，每簇簇內(nèi)采用集中式編隊(duì)方法，簇中心在簇內(nèi)轉(zhuǎn)移由簇內(nèi)各無人機(jī)按照分配的具體任務(wù)共同參與協(xié)調(diào)確定。
[0045]由于動態(tài)隊(duì)形變化與突發(fā)任務(wù)、任務(wù)鏈某節(jié)點(diǎn)任務(wù)性質(zhì)變化、靜態(tài)優(yōu)先集有直接關(guān)系。因此需要有直接聯(lián)系各簇點(diǎn)與簇內(nèi)中心無人機(jī)時時對靜態(tài)優(yōu)化集進(jìn)行順序調(diào)整與更新。對于時間序列上前一任務(wù)隊(duì)形選擇或者前后任務(wù)靜態(tài)優(yōu)先集隊(duì)形交集為空這類情況可在動態(tài)優(yōu)先集中選出最優(yōu)化隊(duì)形，再判斷該隊(duì)形是否還滿足前后靜態(tài)優(yōu)先集或者隊(duì)形序列限制需求；而對于突發(fā)情況一般只能在動態(tài)優(yōu)先集中采用次優(yōu)隊(duì)形，因?yàn)榇藭r最優(yōu)隊(duì)形很難滿足突發(fā)情況任務(wù)要求。
[0046]在本發(fā)明的實(shí)施例中，如圖3無人機(jī)群優(yōu)先集的建立方法包括如下步驟:
[0047]Al)確定任務(wù)環(huán)境及任務(wù)性質(zhì)；
[0048]A2)設(shè)立無人機(jī)狀態(tài),包括載彈量、最大爬升角、最大航程、最小飛行高度、最小飛行距離、最大轉(zhuǎn)彎角度、飛行環(huán)境中任務(wù)目標(biāo)敵方威脅等；
[0049]A3)由任務(wù)性質(zhì)、空間環(huán)境和無人機(jī)狀態(tài)設(shè)定靜態(tài)的編隊(duì)優(yōu)化集；
[0050]A4)按各任務(wù)指標(biāo)排列靜態(tài)優(yōu)化集；
[0051]A5)加入隊(duì)形序列限制對靜態(tài)優(yōu)化集的擴(kuò)充、調(diào)整或者選擇；
[0052]A6 )進(jìn)行任務(wù)整體優(yōu)化或任務(wù)鏈各子任務(wù)優(yōu)化；
[0053]A7)對飛行編隊(duì)進(jìn)行相應(yīng)編隊(duì)控制達(dá)到正確的編隊(duì)形式。
[0054]其中，步驟A5)中的隊(duì)形序列限制因素加入靜態(tài)優(yōu)先集，使其轉(zhuǎn)化為動態(tài)優(yōu)先集。無人機(jī)群最終隊(duì)形的目標(biāo)優(yōu)化就從動態(tài)優(yōu)先集中選出最優(yōu)或者次優(yōu)隊(duì)形。目標(biāo)優(yōu)化一般為任務(wù)開始前指定的一些技術(shù)指標(biāo)，如航路最短、機(jī)群中無人機(jī)數(shù)量最少、載彈量最少或者安全系數(shù)最高等，因此優(yōu)化集唯一且有界。
[0055]如圖4所示，步驟A5)還可以詳細(xì)化為以下流程:
[0056]A51)含隊(duì)形序列限制因素的整體任務(wù)開始；
[0057]A52)判斷整體任務(wù)的任務(wù)鏈之間是否受隊(duì)形序列影響；如果是，則進(jìn)入所述步驟A53);如果否，則進(jìn)入步驟A6)；
[0058]A53)判斷限制因素對靜態(tài)優(yōu)先集影響；如果有，則進(jìn)入所述步驟A54)，如果否，則進(jìn)入步驟A6)；
[0059]A54)判斷動態(tài)優(yōu)先集是否為空集；如果是，則保持原隊(duì)形，進(jìn)入所述步驟A7);如果否，則進(jìn)入步驟A6)；
[0060]本發(fā)明中所述各種限制因素不會使所有任務(wù)的動態(tài)優(yōu)先集為空集。
[0061]建模部分用于在確定目標(biāo)優(yōu)化集的具體模型。
[0062]該部分集中了隊(duì)形轉(zhuǎn)換的可選建模過程，包括靜態(tài)優(yōu)先優(yōu)化集模型和動態(tài)優(yōu)化集模型。具體的無人機(jī)協(xié)同隊(duì)形模型可根據(jù)實(shí)際情況選用。下面將詳細(xì)論述以燃料最省為目標(biāo)的靜態(tài)路徑規(guī)劃模型和有隊(duì)形序列限制的動態(tài)任務(wù)分配模型的設(shè)計(jì)思路及建模應(yīng)用示例。
[0063]靜態(tài)路徑規(guī)劃建模與算法選擇:
[0064]考慮如圖5a所示5節(jié)點(diǎn)拓?fù)?，每一個節(jié)點(diǎn)代表一個簇。視每一簇作為一個集合，
設(shè)其運(yùn)動模式為A，其中V,表示第i個簇的位置，設(shè)坐標(biāo)原點(diǎn)為編隊(duì)的中心簇(3號
節(jié)點(diǎn))，V為每簇?zé)o人機(jī)速度，Θ，P為每簇相對中心航向角度，Θ為航向角，P為俯仰角。所
【權(quán)利要求】
1.一種分布式控制無人機(jī)群集中分簇編隊(duì)方法，包括以下步驟: 1)設(shè)定無人機(jī)群的初始參數(shù)，確定無人機(jī)群的任務(wù)鏈中各子任務(wù)的任務(wù)性質(zhì)，并根據(jù)飛行環(huán)境確定無人機(jī)群在各子任務(wù)中的允許編隊(duì)形式，初步構(gòu)成靜態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集； 2)對所述無人機(jī)群在各子任務(wù)中的允許編隊(duì)形式進(jìn)行建模，確定每一種編隊(duì)形式所對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得出在所述任務(wù)鏈中各子任務(wù)環(huán)境下每簇?zé)o人機(jī)的預(yù)定任務(wù)配置與拓?fù)淠Ｐ?，并從中建立?duì)形轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)形式，然后從整體到局部對無人機(jī)群的編隊(duì)形式采取最優(yōu)或者次優(yōu)編隊(duì)控制策略； 3)當(dāng)某個子任務(wù)出現(xiàn)突發(fā)情況時，對靜態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集進(jìn)行重構(gòu)、擴(kuò)展或者收縮，并選擇其他有效編隊(duì)形式，從而構(gòu)成動態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式控制無人機(jī)群集中分簇編隊(duì)方法，其特征在于:步驟I)中，所述靜態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集包括項(xiàng)目有:任務(wù)性質(zhì)確定的無人機(jī)群、每簇的具體功能以及移動性、快速性、機(jī)群的簇點(diǎn)、聯(lián)接拓?fù)?、拓?fù)渥儞Q策略。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分布式控制無人機(jī)群集中分簇編隊(duì)方法，其特征在于:無人機(jī)群的每簇為任務(wù)性質(zhì)單一的子簇或者多性質(zhì)組成的混成簇，其中每簇的具體功能包括:1、目標(biāo)偵測；11、火力掩護(hù)；111、機(jī)動備用；IV、干擾與反干擾；V、隊(duì)形協(xié)調(diào)與控制；V1、簇點(diǎn)轉(zhuǎn)移；VI1、任務(wù)中突發(fā)情況的隊(duì)形應(yīng)急分配。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式控制無人機(jī)群集中分簇編隊(duì)方法，其特征在于:所述無人機(jī)群的隊(duì)形控制由每簇協(xié)調(diào)控制，每簇的具體隊(duì)形受靜態(tài)優(yōu)化優(yōu)先級的解集限制，每簇簇內(nèi)采用集中式編隊(duì)方法，簇中心在簇內(nèi)轉(zhuǎn)移由簇內(nèi)各無人機(jī)按照分配的具體任務(wù)共同參與協(xié)調(diào)確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的分布式控制無人機(jī)群集中分簇編隊(duì)方法，其特征在于:所述無人機(jī)群的隊(duì)形控制協(xié)調(diào)模式包括:1、同一任務(wù)功能協(xié)調(diào)；11、機(jī)動備用協(xié)調(diào)；111、不同任務(wù)間功能轉(zhuǎn)換協(xié)調(diào)； 對于每簇包含多種任務(wù)性質(zhì)的編隊(duì)方式，首先將簇內(nèi)的無人機(jī)按功能分層為:1、中心控制層；11、目標(biāo)任務(wù)實(shí)施簇，如目標(biāo)打擊型任務(wù)則可選取目標(biāo)打擊簇為第二層；111、火力掩護(hù)簇；IV、干擾與反干擾簇；V、目標(biāo)偵測；V1、機(jī)動備用；其次，中心控制層優(yōu)先在簇內(nèi)進(jìn)行任務(wù)協(xié)調(diào)并處理靜態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集的隊(duì)形分配；再次，中心控制層與高優(yōu)先層的無人機(jī)可從低到高調(diào)用機(jī)動備用直至中心控制層，從而快速的處理動態(tài)的優(yōu)化優(yōu)先集，達(dá)到功能與隊(duì)形的可靠轉(zhuǎn)換；最后除中心控制層應(yīng)急處理突發(fā)情況外，不進(jìn)行越級功能轉(zhuǎn)換控制和簇中心轉(zhuǎn)移； 每簇只包含單一任務(wù)性質(zhì)的編隊(duì)方式，按照任務(wù)性質(zhì)由各簇協(xié)調(diào)后將具體任務(wù)分配給每簇，每簇簇內(nèi)的中心機(jī)能夠靈活指定，并采用分層管理，也能夠采用平行協(xié)調(diào)方式處理簇內(nèi)各無人機(jī)任務(wù)目標(biāo)； 任務(wù)性質(zhì)單一的各簇，在簇間協(xié)調(diào)優(yōu)先在同一性質(zhì)的各簇進(jìn)行；任務(wù)性質(zhì)混成簇在簇間任務(wù)轉(zhuǎn)換由隊(duì)形和各簇協(xié)調(diào)控制決定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式控制無人機(jī)群集中分簇編隊(duì)方法，其特征在于:步驟3)中形成動態(tài)優(yōu)化優(yōu)先集的方法如下所述:當(dāng)任務(wù)鏈各子任務(wù)能夠獨(dú)立時，按照每個子任務(wù)優(yōu)化進(jìn)行，即只對任務(wù)進(jìn)行靜態(tài)優(yōu)化；當(dāng)存在時間要求或者隊(duì)形要求時，按照每簇的預(yù)分配模式規(guī)劃動態(tài)優(yōu)先集；對緊急情況的隊(duì)形處理需要有直接關(guān)聯(lián)的各簇和各簇中心聯(lián)合協(xié)調(diào)，按照隊(duì)形拓?fù)渥兓钚〖搓?duì)形變化前后相似程度最大、各簇移動距離最短、各簇同性質(zhì)任務(wù)間優(yōu)先變換、有直接鏈`接簇點(diǎn)變化的順序進(jìn)行。
【文檔編號】G05D1/10GK103777640SQ201410017265
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)明者】王磊, 顏嵩林, 王艷風(fēng) 申請人:北京航空航天大學(xué)