專利名稱：一種不確定環(huán)境下的無人飛行器編隊(duì)協(xié)同搜索和動(dòng)態(tài)任務(wù)分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不確定環(huán)境下的無人飛行器編隊(duì)協(xié)同動(dòng)態(tài)任務(wù)分配策略，屬于飛行編隊(duì)制導(dǎo)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種不確定環(huán)境下的無人飛行器編隊(duì)協(xié)同搜索和動(dòng)態(tài)任務(wù)分配方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前已經(jīng)有多達(dá)三十多個(gè)國(guó)家投入大量人力和財(cái)力從事無人機(jī)的研究和生產(chǎn)。經(jīng) 過二十年的發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在軍民各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著作用，盡管如此，單架無人機(jī)在遂行任務(wù)時(shí)存在著一些問題，例如單架無人機(jī)可能受到傳感器的數(shù)量限制，不能從多角度全方位的對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行觀察，面臨大面積搜索任務(wù)時(shí)，不能有效的覆蓋整個(gè)搜索區(qū)域；如果執(zhí)行的是救援任務(wù)，單架無人機(jī)在載荷方面受到限制，往往影響整個(gè)救援的效能，帶來更大損失，另外，一旦單架無人機(jī)出現(xiàn)故障，必須立即中斷任務(wù)返回，可能會(huì)延誤救援時(shí)機(jī)。近年來由于環(huán)境的復(fù)雜性和任務(wù)的多重性，單架無人機(jī)已經(jīng)無法滿足對(duì)地攻擊與救援的需要，針對(duì)單架無人機(jī)的上述缺點(diǎn)，近些年國(guó)外提出了多無人機(jī)共同遂行任務(wù)的概念并取得了一定的研究成果，多無人機(jī)共同遂行任務(wù)的方式可以顯著提高無人機(jī)整體的作戰(zhàn)和救援效能，可以增加執(zhí)行任務(wù)的成功率和抗突發(fā)事件的能力，基于上述優(yōu)勢(shì)，多無人機(jī)共同遂行飛行任務(wù)將成為今后無人機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。其中多無人機(jī)協(xié)同動(dòng)態(tài)任務(wù)分配問題是多無人機(jī)共同遂行任務(wù)中的關(guān)鍵問題，本質(zhì)上這是一個(gè)多約束、強(qiáng)耦合的復(fù)雜多目標(biāo)優(yōu)化與決策問題，具體涉及到無人機(jī)編隊(duì)通信協(xié)議、協(xié)同搜索策略、動(dòng)態(tài)任務(wù)分配方法和無人機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)環(huán)節(jié)導(dǎo)引律設(shè)計(jì)等研究領(lǐng)域，這些設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響多無人機(jī)協(xié)同動(dòng)態(tài)任務(wù)分配的效果。多無人機(jī)協(xié)同動(dòng)態(tài)任務(wù)分配的概念是在多無人機(jī)遂行任務(wù)過程中，基于一定的環(huán)境知識(shí)和任務(wù)要求，根據(jù)無人機(jī)的數(shù)量或負(fù)載，為每一個(gè)無人機(jī)分配一個(gè)或一組有序任務(wù)(目標(biāo)或空間位置點(diǎn))，以便在完成最大可能數(shù)量的任務(wù)同時(shí)，飛行器整體的效率達(dá)到最優(yōu)。多無人機(jī)協(xié)同動(dòng)態(tài)任務(wù)分配方法的研究是近幾年發(fā)展起來的，比較有影響力的論文是 2004 年 University of Washington 的 Pong Punwattana 的((Real-Time Planning forTeams of Autonomous Vehicles in Dynamic Uncertain Environment》，經(jīng)過近十年的發(fā)展形成了以下兩種主要的解決方案現(xiàn)代優(yōu)化算法任務(wù)分配方法該方法首先進(jìn)行任務(wù)分配問題的建模，抽象出與任務(wù)分配效果相關(guān)的適應(yīng)度函數(shù)，然后生成一個(gè)群體，群體中的每個(gè)個(gè)體代表一種任務(wù)分配方案，利用啟發(fā)式的策略搜索群體中適應(yīng)度函數(shù)最高的最優(yōu)解。這種方法利用群體滾動(dòng)尋優(yōu)的方式搜索多無人機(jī)協(xié)同動(dòng)態(tài)任務(wù)分配的最優(yōu)方案，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，不適用于實(shí)時(shí)性較強(qiáng)且環(huán)境不確定的條件；而且動(dòng)態(tài)任務(wù)分配過程一般是時(shí)間相關(guān)的，某一時(shí)刻確定環(huán)境分配的最優(yōu)性不能保證整個(gè)過程的最優(yōu)性，因此在某一確定時(shí)刻消耗大量時(shí)間做這種優(yōu)化并沒有太大必要；研究的問題大多僅涉及單一的任務(wù)分配問題，沒有體現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)體多約束、強(qiáng)耦合和時(shí)間相關(guān)的特點(diǎn)?，F(xiàn)代優(yōu)化算法目前大部分應(yīng)用在無人機(jī)信息和任務(wù)信息已知的靜態(tài)任務(wù)分配過程中。多Agent系統(tǒng)方法任務(wù)分配問題可以抽象為在多Agent系統(tǒng)(Multi-AgentSystems,MAS)中，存在M個(gè)不同的Agent要執(zhí)行N項(xiàng)不同的任務(wù),如何合理地將任務(wù)分配不同的Agent，從而提高系統(tǒng)的整體效率。Agent通常有兩種類型一種是合作的，一種是自利的。在前一種情況下，系統(tǒng)中的Agent具有共同的目標(biāo)，在集中式管理機(jī)制下協(xié)調(diào)各自的行為，使系統(tǒng)利益最大化；而在第二種情況下，Agent具有自己的私有效用函數(shù)，用來指導(dǎo)它的推理和決策?；谑袌?chǎng)機(jī)制的拍賣方法是多Agent系統(tǒng)方法中解決動(dòng)態(tài)任務(wù)分配的一般方法。這種方法的不足是，為了達(dá)到最優(yōu)性，需要代表各Agent的無人機(jī)間進(jìn)行多輪通信，如果在敵方區(qū)域進(jìn)行頻繁通信，會(huì)增加無人機(jī)被發(fā)現(xiàn)的概率。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有多Agent系統(tǒng)方法多輪通信的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的協(xié)同機(jī)制， 使無人機(jī)之間通過三次交互就可進(jìn)入各自的模式(Mode)，避免了無人機(jī)之間的頻繁通信問題；為無人機(jī)設(shè)計(jì)了導(dǎo)引律，將任務(wù)分配策略與運(yùn)動(dòng)體的耦合性和時(shí)間相關(guān)性統(tǒng)一起來，在動(dòng)態(tài)過程中驗(yàn)證動(dòng)態(tài)任務(wù)分配策略的可行性。一種不確定環(huán)境下的無人飛行器編隊(duì)協(xié)同搜索和動(dòng)態(tài)任務(wù)分配方法，其特征在于采用圓弧航路作為無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的航路，包括以下幾個(gè)步驟步驟一確定單架無人機(jī)維護(hù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；在無人機(jī)編隊(duì)中每架無人機(jī)的機(jī)載計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)(I)無人機(jī)自身序號(hào)nD;(2)每個(gè)無人機(jī)所執(zhí)行任務(wù)序號(hào)TID，當(dāng)無人機(jī)處于搜索模式時(shí)無人機(jī)所執(zhí)行任務(wù)號(hào)TID為-I ；(3)無人機(jī)自身所搭載的任務(wù)載荷取0 =[&,，‘ ,...’/·/ ，…….&J;x為載荷種類；當(dāng)/^ ,中所有元素為0，此時(shí)無人機(jī)進(jìn)入搜索模式；(4)無人機(jī)執(zhí)行TID號(hào)任務(wù)時(shí)需要的載荷及丨7/, =\4ηη·>rTiin^…..求丨《>中元素代表任務(wù)所需的不同種類的載荷，當(dāng)所有元素全部為O時(shí)，表示任務(wù)完成；在搜索模式Π為空；步驟二 確定無人機(jī)的飛行模式；將無人機(jī)的飛行模式分為搜索模式和執(zhí)行模式，搜索模式又分為廣播模式和響應(yīng)模式，其中，無人機(jī)在探測(cè)區(qū)域內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)可執(zhí)行的任務(wù)，在通信半徑內(nèi)也沒有其他無人機(jī)提供可執(zhí)行的任務(wù)，這時(shí)無人機(jī)處于搜索模式；在搜索過程中發(fā)現(xiàn)可執(zhí)行任務(wù)后進(jìn)入廣播模式，與通信半徑內(nèi)的其他無人機(jī)進(jìn)行任務(wù)信息共享；在搜索模式下，如果遇到通信半徑內(nèi)的其他無人機(jī)的廣播，則進(jìn)入響應(yīng)模式。無人機(jī)在自身探測(cè)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)可獨(dú)立完成任務(wù)，或在接收到其他無人機(jī)的廣播進(jìn)行響應(yīng)處理后進(jìn)入執(zhí)行模式，此時(shí)無人機(jī)將TID從-I調(diào)整為執(zhí)行任務(wù)的TID ；步驟三確定無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)勢(shì)函數(shù)；令UID為i的無人機(jī)所攜帶載荷為貧K…r:“……,<],TID為j的任務(wù)需要載荷為
權(quán)利要求
1.一種不確定環(huán)境下的無人飛行器編隊(duì)協(xié)同搜索和動(dòng)態(tài)任務(wù)分配方法，其特征在于采用圓弧航路作為無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的航路，包括以下幾個(gè)步驟 步驟一確定單架無人機(jī)維護(hù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； 在無人機(jī)編隊(duì)中每架無人機(jī)的機(jī)載計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ) (1)無人機(jī)自身序號(hào)WD； (2)每個(gè)無人機(jī)所執(zhí)行任務(wù)序號(hào)TID，當(dāng)無人機(jī)處于搜索模式時(shí)無人機(jī)所執(zhí)行任務(wù)號(hào)TID 為-I ； (3)無人機(jī)自身所搭載的任務(wù)載荷=勝—JisiyA ； X為載荷種類；當(dāng)^中所有元素為O，此時(shí)無人機(jī)進(jìn)入搜索模式； (4)無人機(jī)執(zhí)行TID號(hào)任務(wù)時(shí)需要的載荷/ ,......,^nm........fImJ ，甩m中7U素代表任務(wù)所需的不同種類的載荷，當(dāng)所有元素全部為O時(shí)，表示任務(wù)完成，在搜索模式下及;《 ,為空； 步驟二 確定無人機(jī)的飛行模式； 將無人機(jī)的飛行模式分為搜索模式和執(zhí)行模式，搜索模式又分為廣播模式和響應(yīng)模式，其中，無人機(jī)在探測(cè)區(qū)域內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)可執(zhí)行的任務(wù)，在通信半徑內(nèi)也沒有其他無人機(jī)提供可執(zhí)行的任務(wù)，這時(shí)無人機(jī)處于搜索模式；在搜索過程中發(fā)現(xiàn)任務(wù)且自身所攜帶載荷不足以完成任務(wù)時(shí)進(jìn)入廣播模式，與通信半徑內(nèi)的其他無人機(jī)進(jìn)行任務(wù)信息共享；在搜索模式下，如果遇到通信半徑內(nèi)的其他無人機(jī)的廣播，則進(jìn)入響應(yīng)模式。無人機(jī)在自身探測(cè)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)可獨(dú)立完成的任務(wù)，或在接收到其他無人機(jī)的廣播進(jìn)行響應(yīng)處理后進(jìn)入執(zhí)行模式，此時(shí)無人機(jī)將TID從-I調(diào)整為執(zhí)行任務(wù)的TID ； 步驟三確定無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)勢(shì)函數(shù)； 令UID為i的無人機(jī)所攜帶載荷為疋=[<,‘r；'k,......,<] ,TID為j的任務(wù)需要載荷為,UID為i的無人機(jī)相對(duì)于TID為j的任務(wù)時(shí)優(yōu)勢(shì)向量Aij =[<3-ijl 3-ij2>......，^ijky......，^ijxl 的計(jì)算公式如下
2.如權(quán)利要求I所述一種不確定環(huán)境下的無人飛行器編隊(duì)協(xié)同搜索和動(dòng)態(tài)任務(wù)分配方法，其特征在于所述步驟4中無人機(jī)在廣播模式中，UID為i的無人機(jī)所攜帶的載荷
全文摘要
本發(fā)明一種不確定環(huán)境下的無人飛行器編隊(duì)協(xié)同搜索和動(dòng)態(tài)任務(wù)分配方法，不僅給出了無人飛行器編隊(duì)協(xié)同動(dòng)態(tài)任務(wù)分配策略，且設(shè)計(jì)了具體的導(dǎo)引規(guī)律，采用圓弧航路作為無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的航路，包括步驟一確定單架無人機(jī)維護(hù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；步驟二確定無人機(jī)的飛行模式；步驟三確定無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的優(yōu)勢(shì)函數(shù)；步驟四確定動(dòng)態(tài)任務(wù)分配流程；步驟五確定飛行器的搜索與執(zhí)行任務(wù)的導(dǎo)引律。本發(fā)明相對(duì)于基于現(xiàn)代優(yōu)化算法的任務(wù)分配方法，降低了單架無人機(jī)的計(jì)算負(fù)載，適用于實(shí)時(shí)性較強(qiáng)且環(huán)境不確定的條件；相對(duì)于基于市場(chǎng)機(jī)制拍賣算法的任務(wù)分配方法，降低了無人機(jī)間進(jìn)行的通信次數(shù)和單架無人機(jī)的計(jì)算負(fù)載，保證了廣播無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的實(shí)時(shí)性。
文檔編號(hào)G01C21/00GK102901498SQ201210356428
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者吳森堂, 孫健, 胡楠希, 杜陽(yáng) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)