一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下無人機(jī)編隊(duì)飛行的協(xié)同航跡智能規(guī)劃方法
【專利摘要】本發(fā)明所述的一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下的無人機(jī)編隊(duì)飛行協(xié)同航跡智能規(guī)劃方法，包括無人機(jī)編隊(duì)預(yù)飛協(xié)同航跡的離線智能規(guī)劃、躲避威脅的航跡在線重規(guī)劃和編隊(duì)隊(duì)形協(xié)同性重建等步驟。所述無人機(jī)編隊(duì)預(yù)飛協(xié)同航跡的離線規(guī)劃，采用基于Voronoi圖和蟻群算法的智能規(guī)劃方法，為無人機(jī)編隊(duì)離線規(guī)劃出時(shí)間協(xié)同的整體最優(yōu)預(yù)飛航跡。所述在線航跡的重規(guī)劃，采用基于RRT算法的智能航路規(guī)劃方法，為無人機(jī)編隊(duì)遭遇突發(fā)威脅時(shí)提供快速航路修正。所述編隊(duì)隊(duì)形協(xié)同性重建采用的是調(diào)節(jié)無人機(jī)編隊(duì)成員飛行速度與盤旋機(jī)動(dòng)相結(jié)合的方法。為無人機(jī)編隊(duì)提供預(yù)飛協(xié)同航跡離線規(guī)劃和在線重規(guī)劃航跡的生成，提出協(xié)同性重建方案，解決無人機(jī)編隊(duì)飛行協(xié)同性的在線重建問題。
【專利說明】-種動(dòng)態(tài)環(huán)境下無人機(jī)編隊(duì)飛行的協(xié)同航跡智能規(guī)劃方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無人機(jī)編隊(duì)飛行的協(xié)同航跡規(guī)劃方法，尤其涉及一種在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的 智能航跡規(guī)劃方法，屬于航跡規(guī)劃領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 無人機(jī)編隊(duì)飛行是將多架具有自主功能的無人機(jī)按照一定的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行H維 空間排列，保證其飛行過程中隊(duì)形的穩(wěn)定，但能根據(jù)外部情況和任務(wù)需求的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài) 的調(diào)整。無人機(jī)編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)的成功率和抗突發(fā)事件的能力比單機(jī)飛行高得多，目前得到 越來越廣泛的應(yīng)用。
[0003] 無人機(jī)編隊(duì)飛行的航跡規(guī)劃包括離線航跡規(guī)劃和在線航跡規(guī)劃，在飛行之前根據(jù) 已有的環(huán)境等信息利用各種算法離線生成編隊(duì)最優(yōu)航跡，在實(shí)際飛行過程中，由于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán) 境的不確定性，當(dāng)編隊(duì)在預(yù)定航跡上實(shí)際飛行時(shí)，如果出現(xiàn)突發(fā)威脅，此時(shí)預(yù)定的航跡已不 能滿足最優(yōu)或安全要求，就要求對(duì)航跡進(jìn)行在線重規(guī)劃。
[0004] 目前已有不少在線航跡的算法，但多數(shù)是針對(duì)單機(jī)而言，編隊(duì)的在線航跡重規(guī)劃 的難度在于編隊(duì)飛行與單機(jī)相比特有的時(shí)間、空間協(xié)同性使航跡規(guī)劃算法出現(xiàn)約束較多、 組合爆炸的現(xiàn)象，另外如何保證航跡的重規(guī)劃不會(huì)對(duì)破壞編隊(duì)隊(duì)形，或航跡重規(guī)劃后針對(duì) 被破壞的協(xié)同性如何進(jìn)行重建也是重點(diǎn)及難點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 所要解決的技術(shù)問題：
[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下的無人機(jī)編隊(duì)飛行協(xié)同航跡智能規(guī)劃方法， 用于解決無人機(jī)編隊(duì)飛行在線遭遇突發(fā)威脅時(shí)的航跡重規(guī)劃W及協(xié)同性重建問題。
[0007] 技術(shù)方案：
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)W上功能，本發(fā)明提供了一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下無人機(jī)編隊(duì)飛行的協(xié)同航跡智 能規(guī)劃方法，其特征在于：按照W下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0009] 步驟1，采用Voronoi圖將連續(xù)的飛行空間離散化為一系列的線段；然后利用蟻群 算法為每一架無人機(jī)搜索到多條待選航跡，再根據(jù)最優(yōu)協(xié)同時(shí)間決策原理選取每架無人機(jī) 最終待飛航跡，并W此設(shè)定每一架無人機(jī)的飛行速度；預(yù)先為編隊(duì)飛行的無人機(jī)設(shè)計(jì)離線 飛行時(shí)的協(xié)同航跡；
[0010] 步驟2,實(shí)時(shí)探測(cè)并判斷無人機(jī)前進(jìn)方向上是否存在障礙物及突發(fā)威脅，如果存 在，在探測(cè)到突發(fā)威脅的時(shí)刻開始進(jìn)行航跡重規(guī)劃處理，采用RRT算法快速繞過威脅回歸 到預(yù)飛航跡上；
[0011] 步驟3,為繞過威脅的無人機(jī)設(shè)計(jì)回歸編隊(duì)的航路，使該無人機(jī)與其他無人機(jī)重建 協(xié)同性飛行狀態(tài)，完成無人機(jī)編隊(duì)的協(xié)同性重建。
[0012] 進(jìn)一步的，所述步驟3的具體方法為：
[0013] 步驟3.1，首先，確定協(xié)同性重建時(shí)刻，定義為每架無人機(jī)都繞過威脅的時(shí)刻，在實(shí) 際實(shí)現(xiàn)時(shí)是通過每架無人機(jī)繞過威脅時(shí)給其他無人機(jī)發(fā)出信號(hào)來確定；
[0014] 步驟3. 2,然后，確定每架無人機(jī)的剩余預(yù)飛航跡長(zhǎng)度；
[0015] 步驟3. 3,判斷通過單靠速度的調(diào)整能否實(shí)現(xiàn)協(xié)同性的重建即同時(shí)到達(dá)目的地，女口 果不能則需要有無人機(jī)進(jìn)行盤旋等待，直到可W通過單靠速度的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)協(xié)同性重建為 止。
[0016] 進(jìn)一步的，步驟1中通過W下方法構(gòu)造Voronoi圖：
[0017] 由連接兩相鄰?fù){源的中也點(diǎn)線段的垂直平分線構(gòu)成的一組多邊形，選取編隊(duì)內(nèi) 的每架無人機(jī)作為一個(gè)虛擬威脅點(diǎn)，并在靠近威脅區(qū)域邊界處適當(dāng)選取幾個(gè)點(diǎn)作為虛擬威 脅點(diǎn)；
[0018] 步驟1中利用蟻群算法為每一架無人機(jī)搜索到多條待選航跡的具體方法為：
[0019] a.媽蟻起始位置的確定，把與無人機(jī)起始點(diǎn)相鄰的Voronoi圖頂點(diǎn)集合作為媽蟻 起始位置的集合；
[0020] b.終止條件的確定，每只媽蟻進(jìn)行路徑搜索的終止條件應(yīng)該是到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)集 合；
[0021] C.多組解的產(chǎn)生，通過選擇合適的參數(shù)，取多次結(jié)果的并集，W得到不同的幾組 解。
[0022] 進(jìn)一步的，步驟2中所述的采用RRT算法快速繞過威脅回歸到預(yù)飛航跡上的具體 方法為：首先在任務(wù)區(qū)域內(nèi)選定起始節(jié)點(diǎn)CliMt作為樹的根節(jié)點(diǎn)，通過從根節(jié)點(diǎn)不斷的擴(kuò)展 出葉節(jié)點(diǎn)的方式構(gòu)建隨機(jī)樹；首先W概率Pg選擇目標(biāo)位置QgDdi作為隨機(jī)目標(biāo)點(diǎn)或者 W概率I-Pg在任務(wù)空間內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)隨機(jī)目標(biāo)點(diǎn)QtdDd;然后在當(dāng)前的隨機(jī)樹的所有葉節(jié) 點(diǎn)中選擇距離隨機(jī)目標(biāo)點(diǎn)Qrand最近的葉節(jié)點(diǎn)，并稱之為臨近節(jié)點(diǎn)Qnear;然后從Qnear向q?nd 的方向延伸一個(gè)步長(zhǎng)的距離￡，得到一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)q。。，。在延伸過程中，判斷是否與已知的 威脅區(qū)域有沖突，若無沖突接受該新節(jié)點(diǎn)q。。，，并將其添加為隨機(jī)樹的節(jié)點(diǎn)；若q。。，與威脅 區(qū)域有沖突，說明該次擴(kuò)展出的新節(jié)點(diǎn)不符合安全要求，則舍棄該新節(jié)點(diǎn)，并重新進(jìn)行隨機(jī) 目標(biāo)點(diǎn)q"nd的選取。
[0023] 進(jìn)一步的，通過W下方法完成無人機(jī)編隊(duì)的協(xié)同性重建：
[0024] 設(shè)各無人機(jī)在進(jìn)行協(xié)同性重建時(shí)到達(dá)目標(biāo)所需的剩余時(shí)間為：

【權(quán)利要求】
1. 一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下無人機(jī)編隊(duì)飛行的協(xié)同航跡智能規(guī)劃方法，其特征在于：按照以下 步驟實(shí)現(xiàn)： 步驟1，采用Voronoi圖將連續(xù)的飛行空間離散化為一系列的線段；然后利用蟻群算法 為每一架無人機(jī)搜索到多條待選航跡，再根據(jù)最優(yōu)協(xié)同時(shí)間決策原理選取每架無人機(jī)最終 待飛航跡，并以此設(shè)定每一架無人機(jī)的飛行速度；預(yù)先為編隊(duì)飛行的無人機(jī)設(shè)計(jì)離線飛行 時(shí)的協(xié)同航跡； 步驟2,實(shí)時(shí)探測(cè)并判斷無人機(jī)前進(jìn)方向上是否存在障礙物及突發(fā)威脅，如果存在，在 探測(cè)到突發(fā)威脅的時(shí)刻開始進(jìn)行航跡重規(guī)劃處理，采用RRT算法快速繞過威脅回歸到預(yù)飛 航跡上； 步驟3,為繞過威脅的無人機(jī)設(shè)計(jì)回歸編隊(duì)的航路，使該無人機(jī)與其他無人機(jī)重建協(xié)同 性飛行狀態(tài)，完成無人機(jī)編隊(duì)的協(xié)同性重建。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下無人機(jī)編隊(duì)飛行的協(xié)同航跡智能規(guī)劃方法， 其特征在于：所述步驟3的具體方法為： 步驟3. 1，首先，確定協(xié)同性重建時(shí)刻，定義為每架無人機(jī)都繞過威脅的時(shí)刻，在實(shí)際實(shí) 現(xiàn)時(shí)是通過每架無人機(jī)繞過威脅時(shí)給其他無人機(jī)發(fā)出信號(hào)來確定； 步驟3. 2,然后，確定每架無人機(jī)的剩余預(yù)飛航跡長(zhǎng)度； 步驟3. 3,判斷通過單靠速度的調(diào)整能否實(shí)現(xiàn)協(xié)同性的重建即同時(shí)到達(dá)目的地，如果不 能則需要有無人機(jī)進(jìn)行盤旋等待，直到可以通過單靠速度的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)協(xié)同性重建為止。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下無人機(jī)編隊(duì)飛行的協(xié)同航跡智能規(guī)劃方法， 其特征在于：步驟1中通過以下方法構(gòu)造Voronoi圖： 由連接兩相鄰?fù){源的中心點(diǎn)線段的垂直平分線構(gòu)成的一組多邊形，選取編隊(duì)內(nèi)的 每架無人機(jī)作為一個(gè)虛擬威脅點(diǎn)，并在靠近威脅區(qū)域邊界處適當(dāng)選取幾個(gè)點(diǎn)作為虛擬威脅 占 . 步驟1中利用蟻群算法為每一架無人機(jī)搜索到多條待選航跡的具體方法為： a. 螞蟻起始位置的確定，把與無人機(jī)起始點(diǎn)相鄰的Voronoi圖頂點(diǎn)集合作為螞蟻起始 位置的集合； b. 終止條件的確定，每只螞蟻進(jìn)行路徑搜索的終止條件應(yīng)該是到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)集合； c. 多組解的產(chǎn)生，通過選擇合適的參數(shù)，取多次結(jié)果的并集，以得到不同的幾組解。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下無人機(jī)編隊(duì)飛行的協(xié)同航跡智能規(guī)劃方法， 其特征在于： 步驟2中所述的采用RRT算法快速繞過威脅回歸到預(yù)飛航跡上的具體方法為：首先在 任務(wù)區(qū)域內(nèi)選定起始節(jié)點(diǎn)qinit作為樹的根節(jié)點(diǎn)，通過從根節(jié)點(diǎn)不斷的擴(kuò)展出葉節(jié)點(diǎn)的方式 構(gòu)建隨機(jī)樹；首先以概率Pg選擇目標(biāo)位置qgMl作為隨機(jī)目標(biāo)點(diǎn)C^and，或者以概率I-P g在任 務(wù)空間內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)隨機(jī)目標(biāo)點(diǎn)qMnd ;然后在當(dāng)前的隨機(jī)樹的所有葉節(jié)點(diǎn)中選擇距離隨 機(jī)目標(biāo)點(diǎn)qrand最近的葉節(jié)點(diǎn)，并稱之為臨近節(jié)點(diǎn)qn_ ;然后從qn_向C^and的方向延伸一個(gè) 步長(zhǎng)的距離e，得到一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)qnew。在延伸過程中，判斷是否與已知的威脅區(qū)域有沖突， 若無沖突接受該新節(jié)點(diǎn)qMW，并將其添加為隨機(jī)樹的節(jié)點(diǎn)；若qMW與威脅區(qū)域有沖突，說明 該次擴(kuò)展出的新節(jié)點(diǎn)不符合安全要求，則舍棄該新節(jié)點(diǎn)，并重新進(jìn)行隨機(jī)目標(biāo)點(diǎn)qMnd的選 取。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下無人機(jī)編隊(duì)飛行的協(xié)同航跡智能規(guī)劃方法， 其特征在于：通過以下方法完成無人機(jī)編隊(duì)的協(xié)同性重建： 設(shè)各無人機(jī)在進(jìn)行協(xié)同性重建時(shí)到達(dá)目標(biāo)所需的剩余時(shí)間為：
式中，tri是第i架無人機(jī)在協(xié)同性重建時(shí)刻到達(dá)目標(biāo)的時(shí)間范圍，簡(jiǎn)稱為剩余時(shí)間， ^ri min是集合^ri中的最小值，即該無人機(jī)按照最大速度飛到目標(biāo)點(diǎn)的時(shí)間，^ri max是集 合tri中的最大值；LH是第i架無人機(jī)在協(xié)同性重建時(shí)刻距離目標(biāo)點(diǎn)的航跡長(zhǎng)度，簡(jiǎn)稱為剩 余長(zhǎng)度； 其中增加無人機(jī)到達(dá)目標(biāo)的時(shí)間的方法是：讓第i架無人機(jī)在遠(yuǎn)離威脅點(diǎn)的航跡點(diǎn)處 以固定的轉(zhuǎn)彎角速度《做1^次圓周運(yùn)動(dòng)，每一圈增加的時(shí)間為
式中，nymM是最大法向過載， 因此協(xié)同性重建方案輸出信息包括協(xié)同性重建時(shí)刻、每架無人機(jī)以后時(shí)刻的飛行速度 以及需要盤旋的無人機(jī)的盤旋圈數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06N3/00GK104359473SQ201410577358
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】甄子洋, 郜晨, 浦黃忠, 鄭峰嬰, 龔華軍, 江駒 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)