一種提高虛擬智能對(duì)手飛機(jī)生存概率的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高虛擬智能對(duì)手飛機(jī)生存概率的方法，該方法包括如下步驟：1)簡(jiǎn)化導(dǎo)彈的最大攻擊區(qū)模型；2)計(jì)算出虛擬智能對(duì)手飛機(jī)最佳的逃逸位置；3)計(jì)算出虛擬智能對(duì)手飛機(jī)下一時(shí)刻最佳的飛行參數(shù)。本申請(qǐng)以虛擬智能飛機(jī)到達(dá)導(dǎo)彈不可逃逸區(qū)邊界耗時(shí)最短作為約束條件，使用A*算法搜尋下一步仿真時(shí)刻的最優(yōu)位置，實(shí)時(shí)規(guī)劃出最佳的規(guī)避路線，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法上的有效性。
【專利說(shuō)明】
一種提高虛擬智能對(duì)手飛機(jī)生存概率的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于作戰(zhàn)仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高虛擬智能對(duì)手飛機(jī)生存概率的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于空戰(zhàn)的激烈性、敏捷性和高成本性，利用空戰(zhàn)對(duì)抗仿真來(lái)提高飛行員的作戰(zhàn) 素養(yǎng)是一種有效的方式，無(wú)論是人在環(huán)路中空戰(zhàn)對(duì)抗半實(shí)物仿真，還是戰(zhàn)斗機(jī)上嵌入式對(duì) 抗仿真，裝配均具有一定智能性的虛擬對(duì)手飛機(jī)來(lái)進(jìn)行人機(jī)對(duì)抗訓(xùn)練，能夠增加對(duì)抗的逼 真性，可以提高飛行員的作戰(zhàn)能力。因此建立具有一定智能性的虛擬對(duì)手飛機(jī)很有必要。虛 擬飛機(jī)的智能性主要體現(xiàn)在智能攻擊和智能規(guī)避兩個(gè)方面，目前大都是基于專家系統(tǒng)和趨 勢(shì)預(yù)測(cè)的思想來(lái)確定規(guī)避策略的，對(duì)于博弈對(duì)抗性強(qiáng)的空戰(zhàn)問(wèn)題沒(méi)有很好的解決，此外，人 在環(huán)路中的飛行仿真系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)，解算量大，因此在設(shè)計(jì)算法的時(shí)候，必須要考慮算 法的工程實(shí)現(xiàn)和算法的時(shí)間復(fù)雜度。本專利以虛擬智能飛機(jī)到達(dá)導(dǎo)彈不可逃逸區(qū)邊界耗時(shí) 最短作為約束條件，使用A*算法搜尋下一步仿真時(shí)刻的最優(yōu)位置，實(shí)時(shí)規(guī)劃出最佳的規(guī)避 路線，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法上的有效性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種提高虛擬智能對(duì)手飛機(jī) 生存概率的方法，該方法以虛擬智能飛機(jī)到達(dá)導(dǎo)彈不可逃逸區(qū)邊界耗時(shí)最短作為約束條 件，使用A*算法搜尋下一步仿真時(shí)刻的最優(yōu)位置，實(shí)時(shí)規(guī)劃出最佳的規(guī)避路線，并通過(guò)仿真 驗(yàn)證了該方法上的有效性。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0005] -種提高虛擬智能對(duì)手飛機(jī)生存概率的方法，所述方法包括如下步驟：
[0006] 1)簡(jiǎn)化導(dǎo)彈的最大攻擊區(qū)模型；
[0007] 2)計(jì)算出虛擬智能對(duì)手飛機(jī)最近的逃逸位置；
[0008] 3)計(jì)算出虛擬智能對(duì)手飛機(jī)下一時(shí)刻最佳的飛行參數(shù)。
[0009] 進(jìn)一步，步驟1)具體為:假定在t時(shí)刻，導(dǎo)彈的實(shí)際最大攻擊區(qū)在三維空間中的是 一個(gè)不規(guī)則的區(qū)域G(x，y，z)，用一個(gè)規(guī)則的三維球體S(x，y，z)去包含不規(guī)則的區(qū)域G(x，y， z)，SP :G(x，y，z) eS(x，y，z)。
[0010] 進(jìn)一步，步驟2)具體為:假定虛擬智能對(duì)手飛機(jī)當(dāng)前位置為？(11，71，2；1，1^^^)， P到最大攻擊區(qū)的這個(gè)面地的距離為:〇 = ?(&，71，21)-5(^7,2)，計(jì)算出最短距離對(duì)應(yīng)的坐 標(biāo)為：
[0011]
[0012]
[0013]
[0014] 聯(lián)立三個(gè)方程組，可求出離當(dāng)前位置最近的最大攻擊區(qū)的坐標(biāo)(χο,γο,ζο)，即虛擬 智能對(duì)手飛機(jī)最近的逃逸位置。
[0015] 進(jìn)一步，步驟3)具體為:首先，計(jì)算飛機(jī)的航向角，其變化范圍受飛行最小轉(zhuǎn)彎半 徑的影響，飛機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算公式為：
[0016]
[0017] 其中，Vmin表示飛機(jī)的最小飛行速度，nymax表示飛機(jī)的最大法向過(guò)載，根據(jù)飛機(jī)的 最小轉(zhuǎn)彎半徑和航路規(guī)劃的步長(zhǎng)，可以計(jì)算出航向發(fā)生改變時(shí)的最大角度0 he3admax:
[0018] Θheadmax = arCS?Π ( S〇/2Rmin)
[0019] 其中，So為航路規(guī)劃的步長(zhǎng)；
[0020] 在[-9headmax，9headmax]航向角區(qū)間，找到一個(gè)最優(yōu)的航向，以Δ 0head為單位，當(dāng)前的 航向角為初始值，采用A*算法，遍歷離最大攻擊區(qū)最近的位置；
[0021] 其次，計(jì)算飛機(jī)的俯仰角，俯仰角的最大變化范圍取決于飛機(jī)的爬升率;假定飛機(jī) 的速度不變，在一個(gè)步長(zhǎng)中飛機(jī)的飛行距離為v A t，則下一點(diǎn)坐標(biāo)為：
[0022]
[0023] 姿態(tài)參數(shù)為：
[0024]
[0025]
[0026] 得出下一時(shí)刻的飛行參數(shù)P(XAt JAt，ZAt，QheadAt，9pitchAt) 〇
[0027] 本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：
[0028]本發(fā)明以虛擬智能飛機(jī)到達(dá)導(dǎo)彈不可逃逸區(qū)邊界耗時(shí)最短作為約束條件，使用A* 算法搜尋下一步仿真時(shí)刻的最優(yōu)位置，實(shí)時(shí)規(guī)劃出最佳的規(guī)避路線，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該 方法上的有效性。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 圖1為虛擬智能對(duì)手飛機(jī)逃出最大攻擊區(qū)的示意圖；
[0030] 圖2為航向最大改變角度計(jì)算示意圖；
[0031]圖3為本發(fā)明的仿真流程圖；
[0032]圖4為側(cè)方攻擊的規(guī)避路線圖；
[0033]圖5為尾后攻擊的規(guī)避路線圖；
[0034]圖6為迎頭攻擊的規(guī)避路線。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面，參考附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的說(shuō)明，附圖中示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施 例。然而，本發(fā)明可以體現(xiàn)為多種不同形式，并不應(yīng)理解為局限于這里敘述的示例性實(shí)施 例。而是，提供這些實(shí)施例，從而使本發(fā)明全面和完整，并將本發(fā)明的范圍完全地傳達(dá)給本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員。
[0036] 為了易于說(shuō)明，在這里可以使用諸如"上"、"下""左""右"等空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)，用于說(shuō) 明圖中示出的一個(gè)元件或特征相對(duì)于另一個(gè)元件或特征的關(guān)系。應(yīng)該理解的是，除了圖中 示出的方位之外，空間術(shù)語(yǔ)意在于包括裝置在使用或操作中的不同方位。例如，如果圖中的 裝置被倒置，被敘述為位于其他元件或特征"下"的元件將定位在其他元件或特征"上"。因 此，示例性術(shù)語(yǔ)"下"可以包含上和下方位兩者。裝置可以以其他方式定位(旋轉(zhuǎn)90度或位于 其他方位），這里所用的空間相對(duì)說(shuō)明可相應(yīng)地解釋。
[0037] 在攻擊區(qū)以外區(qū)域，一般認(rèn)為沒(méi)有威脅，本申請(qǐng)的主要的思想就是根據(jù)當(dāng)前的態(tài) 勢(shì)，虛擬智能對(duì)手飛機(jī)盡可能的逃離空空導(dǎo)彈的攻擊區(qū)，理論上離當(dāng)前飛機(jī)位置最近的最 大攻擊區(qū)邊界面上點(diǎn)是最優(yōu)的逃逸位置。
[0038] 如圖1所示，假定空戰(zhàn)某時(shí)刻t，導(dǎo)彈的位置0點(diǎn)，橢圓區(qū)域?yàn)榭湛諏?dǎo)彈的最大攻擊 區(qū)域，飛行目標(biāo)位置P點(diǎn)，在橢圓上離P最近的點(diǎn)是J點(diǎn)，飛機(jī)從P點(diǎn)到J點(diǎn)的飛行軌跡為虛線 部分，這就是t時(shí)刻虛擬智能對(duì)手飛機(jī)需要規(guī)劃出的最佳規(guī)避軌跡;在此過(guò)程中需要解決以 下三個(gè)問(wèn)題：一是如何快速解算出t時(shí)刻的攻擊區(qū)邊界?二是如何求出到達(dá)該邊界的最近 點(diǎn)?三是如何根據(jù)這個(gè)點(diǎn)規(guī)劃出下一個(gè)時(shí)刻最佳飛行位置？
[0039] 為解決以上問(wèn)題，本申請(qǐng)采用了如下的方法：
[0040] -、簡(jiǎn)化導(dǎo)彈的最大攻擊區(qū)模型；
[0041] 在空戰(zhàn)對(duì)抗仿真系統(tǒng)中，能夠獲取任意目標(biāo)的信息，可以根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中的方法 獲取任意時(shí)刻導(dǎo)彈的最大攻擊區(qū)。但是計(jì)算過(guò)于復(fù)雜，在仿真環(huán)境中，為了便于快速解算， 可以進(jìn)行適度的簡(jiǎn)化，假定在t時(shí)刻，導(dǎo)彈的實(shí)際最大攻擊區(qū)在三維空間中的是一個(gè)不規(guī)則 的區(qū)域G(x，y，z)，用一個(gè)規(guī)則的三維球體S(x，y，z)去包含不規(guī)則的區(qū)域G(x，y，z)，即：G(x, y ,z) eS(x,y ,ζ)。也就是說(shuō)，如果虛擬智能對(duì)手飛機(jī)在S(x,y ,ζ)逃逸成果，那么肯定能在G (x，y，z)中逃逸成功。
[0042] 在實(shí)際作戰(zhàn)中，最大攻擊區(qū)是實(shí)時(shí)變化的，發(fā)射后的導(dǎo)彈本身是一個(gè)能量體，飛行 過(guò)程中，能量是不斷減少的，最大攻擊區(qū)的范圍也是不斷減少的。因此，我們簡(jiǎn)化的模型S (x，y，z)，只考慮與導(dǎo)彈與飛機(jī)的當(dāng)前相對(duì)位置、相對(duì)速度，進(jìn)入角和方位角等主要因素。
[0043] 二、計(jì)算出虛擬智能對(duì)手飛機(jī)最近的逃逸位置；
[0044] 假定虛擬智能對(duì)手飛機(jī)當(dāng)前位置為P(xi，yi，Zi，hi，pi，ri)，P到最大攻擊區(qū)的這個(gè) 面地的距離為:〇 = ?(11，71，2：1)-5(1，7,2)，計(jì)算出最短距離對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為：
[0045]
[0046]
[0047]
[0048] 聯(lián)立三個(gè)方程組，可求出離當(dāng)前位置最近的最大攻擊區(qū)的坐標(biāo)(χο,γο,ζο)，即虛擬 智能對(duì)手飛機(jī)最近的逃逸位置。
[0049] 三、計(jì)算出虛擬智能對(duì)手飛機(jī)下一時(shí)刻最佳的飛行參數(shù)；
[0050] 如圖2所示，規(guī)避導(dǎo)彈的追蹤，對(duì)于智能對(duì)手飛機(jī)來(lái)說(shuō)，就是要知道下一時(shí)刻飛行 參數(shù)，首先要確定的要改變的航向角與俯仰角，這兩個(gè)參數(shù)都與飛機(jī)的狀態(tài)和性能有關(guān)系， 飛機(jī)的航向角變化范圍受飛行最小轉(zhuǎn)彎半徑的影響，飛機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑計(jì)算公式為：
[0051]
[0052]其中，vmin表示飛機(jī)的最小飛行速度，nymax表示飛機(jī)的最大法向過(guò)載，根據(jù)飛機(jī)的 最小轉(zhuǎn)彎半徑和航路規(guī)劃的步長(zhǎng)，可以計(jì)算出航向發(fā)生改變時(shí)的最大角度0he3admax:
[0053] Θ headmax = arC S ? Π ( S〇/2Rmin )
[0054] 其中，So為航路規(guī)劃的步長(zhǎng)；
[0055] 在[_9headmax，0headmax]航向角區(qū)間，找到一個(gè)最優(yōu)的航向，以Δ 0head為單位，當(dāng)前的 航向角為初始值，采用A*算法，遍歷離最大攻擊區(qū)最近的位置；
[0056] 其次，計(jì)算飛機(jī)的俯仰角，俯仰角的最大變化范圍取決于飛機(jī)的爬升率;假定飛機(jī) 的速度不變，在一個(gè)步長(zhǎng)中飛機(jī)的飛行距離為v A t，則下一點(diǎn)坐標(biāo)為：
[0057]
[0058] 姿態(tài)參數(shù)為：
[0059]
[0060]
[00611 得出下一時(shí)刻的飛行參數(shù)？&^，7^，2^，0^(^，0[^^^);由于滾轉(zhuǎn)角對(duì)位置的影 響不大，在此不予考慮。
[0062]如圖3所示，為驗(yàn)證本申請(qǐng)方法的具體效果，本申請(qǐng)對(duì)該方法進(jìn)行了仿真;仿真流 程如下：系統(tǒng)準(zhǔn)備好后，首先判斷仿真環(huán)境中有沒(méi)有導(dǎo)彈，若沒(méi)有導(dǎo)彈，則保持當(dāng)前狀態(tài)飛 行;若有導(dǎo)彈，判斷兩者距離是否在導(dǎo)彈的最大攻擊區(qū)的遠(yuǎn)界內(nèi)，若不在導(dǎo)彈的最大攻擊區(qū) 的范圍內(nèi)，保持當(dāng)前狀態(tài)飛行，當(dāng)在最大攻擊區(qū)范圍內(nèi)，找到離最大攻擊區(qū)最進(jìn)的位置，根 據(jù)當(dāng)前位置和姿態(tài)，計(jì)算并調(diào)整下一時(shí)刻的位置和姿態(tài)，然后再次計(jì)算是否在最大攻擊區(qū) 內(nèi)，如此循環(huán)，直到逃出最大攻區(qū)域，或者被導(dǎo)彈擊中，循環(huán)結(jié)束。
[0063]為了便于分析和直觀顯示，把仿真產(chǎn)生的數(shù)據(jù)片段記錄下來(lái)，使用SAS公司的JMP 軟件畫出智能對(duì)手飛機(jī)和導(dǎo)彈的三維軌跡散點(diǎn)圖，下面是常見的三種攻擊方式下的智能對(duì) 手飛機(jī)的規(guī)避路線。
[0064] 如圖4所示，智能對(duì)手遭到側(cè)向攻擊時(shí)，首先高度上升，然后轉(zhuǎn)彎飛行，與導(dǎo)彈的方 向一致。
[0065] 如圖5所示，智能對(duì)手遭到尾后攻擊時(shí)，直接提高高度，與導(dǎo)彈的方向一致飛行。
[0066] 如圖6所示，智能對(duì)手遭到迎頭攻擊時(shí)，直接上升高度，然后向相反方向掉頭。
[0067]經(jīng)過(guò)多次仿真實(shí)驗(yàn)，得出除了兩者的速度和距離起著決定性作用外，Δ 0headmajP A0pitdmax對(duì)飛機(jī)本身的機(jī)動(dòng)性起著決定性的作用;機(jī)動(dòng)性越好，兩個(gè)參數(shù)就越大，則在一定 時(shí)間內(nèi)，飛機(jī)的位置和姿態(tài)變化較大，有利于規(guī)避導(dǎo)彈。
[0068]上面所述只是為了說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)該理解為本發(fā)明并不局限于以上實(shí)施例，符合 本發(fā)明思想的各種變通形式均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種提高虛擬智能對(duì)手飛機(jī)生存概率的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟： 1) 簡(jiǎn)化導(dǎo)彈的最大攻擊區(qū)模型； 2) 計(jì)算出虛擬智能對(duì)手飛機(jī)最近的逃逸位置； 3) 計(jì)算出虛擬智能對(duì)手飛機(jī)下一時(shí)刻最佳的飛行參數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高虛擬智能對(duì)手飛機(jī)生存概率的方法，其特征在于，步驟1) 具體為:假定在t時(shí)刻，導(dǎo)彈的實(shí)際最大攻擊區(qū)在Ξ維空間中的是一個(gè)不規(guī)則的區(qū)域G(x，y， Z)，用一個(gè)規(guī)則的Ξ維球體S(x,y,z)去包含不規(guī)則的區(qū)域G(x,y,z)，即:G(x,y,z) eS(x,y, Z) ο3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高虛擬智能對(duì)手飛機(jī)生存概率的方法，其特征在于，步驟2) 具體為:假定虛擬智能對(duì)手飛機(jī)當(dāng)前位置為P(xi，yi，zi山，pi，ri)，P到最大攻擊區(qū)的運(yùn)個(gè)面 地的距離為:D = P(xi，yi，zi)-S(X，y，Z)，計(jì)算出最短距離對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為：聯(lián)立Ξ個(gè)方程組，可求出離當(dāng)前位置最近的最大攻擊區(qū)的坐標(biāo)(x〇，y〇，z〇)，即虛擬智能 對(duì)手飛機(jī)最近的逃逸位置。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高虛擬智能對(duì)手飛機(jī)生存概率的方法，其特征在于，步驟3) 具體為:首先，計(jì)算飛機(jī)的航向角，其變化范圍受飛行最小轉(zhuǎn)彎半徑的影響，飛機(jī)的最小轉(zhuǎn) 彎半徑計(jì)算公式為：其中，Vmin表示飛機(jī)的最小飛行速度，nymax表示飛機(jī)的最大法向過(guò)載，根據(jù)飛機(jī)的最小轉(zhuǎn) 彎半徑和航路規(guī)劃的步長(zhǎng)，可W計(jì)算出航向發(fā)生改變時(shí)的最大角度0headmax: 白head max二曰rCSin(S〇/2Rmin) 其中，So為航路規(guī)劃的步長(zhǎng)； 在[-eheadmax，eheadmax]航向角區(qū)間，找到一個(gè)最優(yōu)的航向，W Δ 0head為單位，當(dāng)前的航向 角為初始值，采用A*算法，遍歷離最大攻擊區(qū)最近的位置； 其次，計(jì)算飛機(jī)的俯仰角，俯仰角的最大變化范圍取決于飛機(jī)的爬升率;假定飛機(jī)的速 度不變，在一個(gè)步長(zhǎng)中飛機(jī)的飛行距離為V Δ t，則下一點(diǎn)坐標(biāo)為：得出下·~時(shí)刻的飛付參數(shù)P(XAt, yAt, ZAt,目headAt,目pitchAt) 〇
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105976061SQ201610311365
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月11日
【發(fā)明人】黃安祥, 雷祥, 孫佰剛, 蘇玉強(qiáng), 丁在永
【申請(qǐng)人】黃安祥, 雷祥, 蘇玉強(qiáng), 李勁松, 孫佰剛