[發明專利]一種利用遺傳算法和Dubins算法實現無人機群隊形重構的方法

有效

• 申請號: 201910948530.1
• 申請日: 2019-09-30
• 公開（公告）號: CN110658847B
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發明（設計）人: 肖瑾;陳天佑;胡曉光;劉相君;常軍軍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種利用遺傳算法和Dubins算法實現無人機隊形重構的方法，該方法具體包括：

步驟S1，為無人機進行編號，并建立新隊形中各無人機的位置匹配關系，從而完成染色體的編碼；

步驟S2，改進Dubins算法，建立航路規劃模型，對無人機群生成隊形重構的航路，對長機和僚機進行調整，將無人機的速度范圍、轉彎半徑的性能參數納入考慮范圍，評估一架僚機從當前位置直至它到達隊形中正確位置并完成速度調整所飛行的距離，在速度調整完成之后，僚機與長機速度大小和方向保持一致，僚機需要做一個追擊運動完成最終的位置匹配；

步驟S3，初始化無人機種群，設置種群大小，種群變異概率和種群迭代代數；

步驟S4，設計適應度函數，評估種群中各染色體的適應度，并根據評估結果進行選擇和交叉；

步驟S5，在選擇和交叉之后，以已設定的種群變異概率進行變異操作，從而生成下一代的種群；

重復以上種群迭代工作，直至到達迭代代數要求；

經過以上的步驟之后，完成無人機群隊重構的航路構建工作；

其中，設計適應度函數，評估種群中各染色體的適應度，并根據評估結果進行選擇和交叉，具體包括：

在這一步中，建立一個向量V∈M_1×n，n表示無人機數量，V_i＝j表示原編隊位置中P_i的無人機在新編隊中飛到P′_j的位置；定義第i個無人機重構時間收益為：

其中d_i是第i個無人機在重構過程中的航行距離，k為常數項，其取值為：k＝min{d_i|d_i≠0}；

為了使得每一個無人機都能夠匹配到一個新的編隊位置而不會發生兩架無人機爭搶同一位置的問題，定義W＝e作為第二個評價標志，其中e為此次重構隊形中，包含的無人機的數量

將各個收益用不同的權重系數將其組合成一個完整的目標函數：

F值越低重構方案越優良

將適應度評估函數應用到各條染色體，分別得到各染色體的評估值，基于評估值排序并選取優良染色體完成選擇階段，在交叉階段，對將要進行交叉操作的A、B兩條染色體，隨機生成一個交叉點位，在這個交叉點位之前的A、B兩條染色體的基因分別遺傳給子代染色體A'、B'，同時將這個交叉點位之后的A、B兩條染色體的基因分別遺傳給子代染色體B'、A'，完成親代到子代的染色體交叉操作。

2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S2，改進Dubins算法，建立航路規劃模型，評估一架僚機從當前位置直至它到達隊形中正確位置，并完成速度調整所飛行的距離，在速度調整完成之后，僚機和長機速度大小與方向保持一致，具體包括：

步驟S2.1，在保持僚機勻速直線運動的條件下，調整長機的航向角，直至長機的位置與目標點的連線與速度方向平行；

步驟S2.2，以無人機的最小轉彎半徑為半徑，分別在僚機的當前位置和其在隊形中的指定位置為切點，在僚機速度方向兩側畫兩個與速度方向相切的圓；

步驟S2.3，對僚機在當前位置的圓和僚機的指定位置的圓做內切線和外切線，并排除與僚機在起始點和指定點的速度方向矛盾的切線；

步驟S2.4，根據無人機的幾組可行路徑，分別計算圓弧運動的弧長和直線距離，并比較這幾組路徑選擇其中最短的路徑；

步驟S2.5，由于長機在僚機的尋路過程中仍舊在做勻速直線運動，當僚機完成尋路之后，長機已經運動到了前方某個位置，因此，僚機需要做一個追擊運動完成最終的位置匹配。

3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S5，對種群中染色體進行變異操作，從而生成下一代的種群，包括：

每架無人機均對應重構隊形中的一個新位置，即染色體每一位的數值均應在重構隊形的編號內，以一定的概率隨機交換染色體中的某兩位，即交換“染色體”中某兩架無人機的目標分配位置從而完成變異操作。