[發明專利]一種通信延遲約束下多無人機任務指派沖突消解方法

在審

• 申請號: 201910054211.6
• 申請日: 2019-01-21
• 公開（公告）號: CN109917805A
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發明（設計）人: 符小衛;馮鵬;高曉光
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 劉新瓊

本發明涉及一種通信延遲約束下多無人機任務指派沖突消解方法，以復雜戰場環境下多無人機任務指派為研究背景，針對分布式結構下通信延遲可能導致指派沖突的問題，設計了一種通過設置比較閾值和對無人機進行優先級排序的方法，以極小的通信代價預測潛在指派沖突；之后開啟編隊內通信，通過比較各無人機的指派方案確定當前可執行的最優任務，從而達到沖突消解的目的。該沖突消解機制能夠準確高效地預測和消解指派沖突，具有可行性與合理性；且由于采用動態的閾值設定，對不同的作戰環境有較好的適用性。

技術領域

本發明涉及多無人機在任務指派過程中對由通信延遲造成的沖突進行預測和消解，完成搜索打擊等任務的方法，有關領域包括協同控制和通信技術。

背景技術

當前，無人機技術普及程度日益提高，民用范圍越來越廣泛，但相關的管制仍有待進一步加強。例如，近年來一些私人無人機常常盤旋在機場附近，干擾機場正常的運行秩序，嚴重威脅起降飛機的安全。面對此類問題，運用無人機以編隊的形式協同工作已成為主流趨勢，未來多無人機協同任務指派與決策面臨著多約束、多任務、多目標以及更復雜的技術要求和實施環境等問題。因此，要指派多架無人機協同完成多項耦合任務，提高任務執行的效率，就必須運用合理且高效的協同任務指派算法。

廣域搜索攻擊項目以多無人機廣域搜索與打擊任務為背景，采用分布控制與分段優化的方法對多無人機協同任務指派算法進行研究，并在研究過程中建立了一個MultiUAV2協同控制仿真平臺。Boskovic,J.D.等人提出將協同任務指派問題分解成決策層、路徑規劃層、軌跡生成層、內環控制層。在分層控制思想的基礎上，需要對無人機協同任務指派問題進行建模與求解。Smith,R.G.首次提出運用合同網協議求解分布式問題。該方法的思想是將協同任務指派過程看作市場化的交易過程，通過“拍賣- 競標-中標”這樣的市場競拍機制實現分布式系統內執行任務的指派和決策。

發明內容

要解決的技術問題

由于通信延遲和丟包等約束的存在，編隊內信息流存在不完整性和不確定性，由此導致各架無人機已知信息集合的差異化。差異化的信息集合會生成不一致的任務指派方案，進而導致指派沖突。由此可見，通信約束會嚴重影響任務指派的可靠性，破壞任務指派的時序要求。因此，無人機編隊在任務指派過程中必須考慮通信系統中的不確定性因素。為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種通信延遲約束下多無人機任務指派沖突消解方法。

技術方案

一種通信延遲約束下多無人機任務指派沖突消解方法，其特征在于：假設無人機編隊由N_u個無人機組成，所有無人機均是同一類型，任務執行區域內有N_t個目標，每個目標都有各自的價值V_j，j＝1,2...,N_t；具體步驟如下：

步驟1：建立多無人機任務指派模型

無人機可以執行4種不同的任務，即默認執行對全域的搜索任務，同時還對每個已知目標執行分類、攻擊和核實3類任務，且必須滿足嚴格的順序要求，即必須先對目標分類，再打擊，最后進行核實；

當發現新目標或目標狀態改變時，新信息輸入到模型中，算法都會被再次運行解算；算法模型可表示為：

其中，B表示指派任務總收益；X_i,j∈{0,1}是一個二元決策變量；變量C_ijm是無人機i 對目標j執行m任務的收益，分別為搜索(m＝0)、分類(m＝1)、攻擊(m＝2)、核實(m＝3)；只有在搜索任務時，才能使j＝0；

該模型在離散時間點上，在所有無人機上同時運行，并為每架無人機指派最多一項任務；

步驟2：運用卡爾曼濾波器對無人機位置狀態進行預測和估計，然后將所得的位置用于步驟1中的收益計算中，得到每個無人機的最大指派任務總收益和其對應的收益矩陣；