[發(fā)明專利]戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下多無人機(jī)時(shí)敏任務(wù)動(dòng)態(tài)分配方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410377834.4
• 申請(qǐng)日: 2014-07-31
• 公開（公告）號(hào): CN104155999B
• 公開（公告）日: 2017-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 任佳;崔亞妮;杜文才
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 海南大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/12
• 分類號(hào): G05D1/12
• 代理公司: 北京科億知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11350
• 代理人: 湯東鳳

1.戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下多無人機(jī)時(shí)敏任務(wù)動(dòng)態(tài)分配算法，其特征如下，UAVs編隊(duì)采用Leader-Follower結(jié)構(gòu)執(zhí)行TST打擊任務(wù)，Leader_UAV主要承擔(dān)決策者的角色，F(xiàn)ollower_UAV承擔(dān)打擊者的角色，Leader_UAV將根據(jù)時(shí)敏任務(wù)變化情況，以及Follower_UAV執(zhí)行任務(wù)時(shí)間、毀傷能力和打擊收益等因素完成編隊(duì)任務(wù)分配，在Leader_UAV任務(wù)分配的基礎(chǔ)上，F(xiàn)ollower_UAV將依照任務(wù)內(nèi)容完成飛行路徑規(guī)劃和對(duì)TST打擊，以Leader_UAV充當(dāng)任務(wù)拍賣者，F(xiàn)ollower_UAV充當(dāng)競(jìng)拍者，F(xiàn)ollower_UAV將各自的競(jìng)拍價(jià)格矩陣cost_auction(包括：與TST之間的距離d、執(zhí)行執(zhí)行TST打擊任務(wù)的時(shí)間t、對(duì)TST的毀傷能力Damage以及打擊收益VLR)發(fā)送給Leader_UAV，在此基礎(chǔ)上，Leader_UAV在TST時(shí)間窗口寬度duration的約束下，根據(jù)cost_auction對(duì)競(jìng)拍者進(jìn)行選擇，完成任務(wù)分配，duration受Follower_UAV執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)的影響，其表達(dá)式如式(1)所示，cost_auction中的各元素表達(dá)式如式(2)所示，

duration_j(k)＝duration_j(k-1)+variation_ij??(1)

式中，duration_j表示TST_j的時(shí)間窗口寬度，variation_ij表示

Follower_UAV_i執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)對(duì)TST_j的時(shí)間窗口寬度的影響，

cost_auction_ij(k)＝d_ij(k)／max(d_ij(k))+Damage_ij(k)

+VLR_ij(k)+max(t_ij(k))/t_ij(k)??????(2)

+max(P_threat_ij(k))/P_threat_ij(k)

假設(shè)V＝{1,2,…，N}為Follower_UAV數(shù)量，則編隊(duì)中UAVs的數(shù)量為N+1，T＝{1,2,…,M}為TST數(shù)量，式中，d_ij表示Follower_UAV_i(i∈V)與TST_j(j∈T)之間的距離；t_ij表示Follower_UAV_i執(zhí)行TST_j打擊任務(wù)時(shí)間；Damage_ij表示Follower_UAV_i對(duì)TST_j的毀傷能力；VLR_ij表示Follower_UAV_i打擊TST_j的效益，它是Damage_ij和載彈量Load_i的函數(shù)，其表達(dá)式如式(3)所示；P_threat_ij表示TST_j對(duì)Follower_UAV_i的威脅概率，將通過TST_j的雷達(dá)對(duì)Follower_UAV_i的瞬時(shí)跟蹤概率P_dij在累計(jì)時(shí)間段T_s上的積分獲得，其表達(dá)式如式(4)所示，

VLRij(k)=VLRij(k-1)·Loadi(k)-Loadi(k-1)Damageij(k)-Damageij(k-1)---(3)]]>

式中，Load_i(k)和Load_i(k-1)分別表示Follow_UAV_i當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻的載彈量，

P_threatij(k)=Σk=c_t-Tsc_tPdij(k)---(4)]]>

式中，c_t為當(dāng)前的采樣時(shí)刻，T_s為瞬時(shí)概率的累計(jì)時(shí)間段，P_dij是TST_j的雷達(dá)對(duì)Follower_UAV_i的瞬時(shí)跟蹤概率，其表達(dá)式如式(5)所示，

Pdij=1/[1+(c2jRij4/σi)c1j]R<Rmax0R≥Rmax---(5)]]>

式中，R_ij是Follower_UAV_i與TST_j之間的距離；c_1j，c_2j是常數(shù)，由TST_j的雷達(dá)類型確定；σ_i是Follower_UAV_i的雷達(dá)散射截面積(Radar?Cross-Section,RCS)，UAV的RCS是關(guān)于UAV航向與TST水平方向的夾角λ，TST與UAV間的俯仰角側(cè)向加速度與重力加速度比值μ的函數(shù)，其表達(dá)式如式(6)、(7)、(8)所示，

σ=π·a2b2c2(a2sin2λecos2μe+b2sin2λesin2μe+c2cos2λe)2---(6)]]>

Leader_UAV根據(jù)cost_auction完成任務(wù)分配，若Follower_UAV接到Leader_UAV下發(fā)的任務(wù)，需計(jì)算其與執(zhí)行TST之間的距離，如果該距離小于等于開始執(zhí)行打擊任務(wù)的最短距離D_start，則Follower_UAV開始打擊，并在原地盤旋直到目標(biāo)擊毀；否則，F(xiàn)ollower_UAV利用MPC算法進(jìn)行打擊路徑規(guī)劃，根據(jù)飛行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，建立非線性的預(yù)測(cè)模型如式(9)、(10)、(11)、(12)、(13)所示，

z(k+1)＝z(k)+s·sin(θ(k+1))??(11)

θ(k+1)＝θ(k)+θ₀·u_θ(k)?U_θmin≤u_θ≤U_θmax??(13)

式中，(x,y,z)表示位置；s表示當(dāng)前導(dǎo)航點(diǎn)和下一導(dǎo)航點(diǎn)之間的直線距離；是方位角，是常量，表示方位角的變化步長，是方位角的控制量，是方位角控制量的邊界；θ是俯仰角，θ₀是常量，表示俯仰角的變化步長，u_θ是俯仰角的控制量，U_θmin，U_θmax是俯仰角控制量的邊界，

u_θ是通過滾動(dòng)優(yōu)化路徑代價(jià)函數(shù)cost_path獲得的最優(yōu)控制量，本文的路徑代價(jià)函數(shù)cost_path由狀態(tài)誤差代價(jià)、TST雷達(dá)造成的威脅代價(jià)和控制域內(nèi)的控制代價(jià)構(gòu)成，cost_path中的各元素表達(dá)式如式(14)所示，

cost_path_ij(k)＝αc_ij^T(k)C_ic_ij(k)??????(14)

+βP_threat_ij(k)+γu^T(k)u(k)

式中，c_ij(k)表示Follower_UAV_i與TST_j之間的距離代價(jià)，即c_ij(k)＝(x_i-x_j,y_i-y_j,z_i-z_j)^T，TST_j的位置S_j(k)＝(x_j,y_j,z_j)^T表示參考軌跡，α為其權(quán)值，C_i為UAV_i與TST之間的距離代價(jià)加權(quán)矩陣；P_threat_ij表示TST_j對(duì)Follower_UAV_i的威脅能力，β為其權(quán)值；u(k)為控制量，γ為其的權(quán)值。

2.戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下多無人機(jī)時(shí)敏任務(wù)動(dòng)態(tài)分配算法的實(shí)現(xiàn)，其特征在于，包含以下步驟：

步驟1：Follower_UAV向Leader_UAV提交TST觀測(cè)信息，Leader_UAV產(chǎn)生任務(wù)清單，并根據(jù)式(1)進(jìn)行任務(wù)拍賣，實(shí)現(xiàn)任務(wù)分配；

步驟2：Follower_UAV根據(jù)任務(wù)分配結(jié)果，判斷自身的任務(wù)列表是否為空，若為空，則在當(dāng)前位置盤旋等待，直到任務(wù)列表不為空時(shí)，按新的任務(wù)列表執(zhí)行任務(wù)，否則執(zhí)行步驟3；

步驟3：Follower_UAV根據(jù)自身的任務(wù)列表，判斷與執(zhí)行TST之間的距離，若此距離小于等于D_start，則Follower_UAV開始打擊目標(biāo)，并在原地盤旋直到目標(biāo)擊毀；否則，F(xiàn)ollower_UAV將根據(jù)式(13)所獲得的最優(yōu)控制量進(jìn)行路徑規(guī)劃，當(dāng)達(dá)到打擊距離后，開始打擊目標(biāo)，并在原地盤旋直到目標(biāo)擊毀；

步驟4：Follower_UAV執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)會(huì)對(duì)后續(xù)TST時(shí)間窗口寬度產(chǎn)生影響，需要對(duì)UAVs編隊(duì)任務(wù)分配和打擊路徑進(jìn)行調(diào)整，將返回步驟1進(jìn)行任務(wù)重規(guī)劃，直至完成所有TST的打擊任務(wù)。