[發(fā)明專(zhuān)利]一種利用遺傳算法和Dubins算法實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)群隊(duì)形重構(gòu)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910948530.1
• 申請(qǐng)日: 2019-09-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110658847B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-01-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖瑾;陳天佑;胡曉光;劉相君;常軍軍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05D1/10
• 分類(lèi)號(hào): G05D1/10
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• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明設(shè)計(jì)一種利用遺傳算法和Dubins算法實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)群隊(duì)形重構(gòu)的方法，該方法具體包括為無(wú)人機(jī)進(jìn)行編號(hào)，并建立新隊(duì)形中各無(wú)人機(jī)的位置匹配關(guān)系，從而完成染色體的編碼；改進(jìn)Dubins算法，建立航路規(guī)劃模型，評(píng)估一架僚機(jī)完成重構(gòu)飛行的距離；利用遺傳算法為各無(wú)人機(jī)分配重構(gòu)目標(biāo)位置。本發(fā)明通過(guò)分解隊(duì)形重構(gòu)為任務(wù)分配和航路規(guī)劃，相對(duì)于現(xiàn)有的隊(duì)形重構(gòu)算法能夠獲取更加穩(wěn)定的航路，并且通過(guò)將無(wú)人機(jī)的速度范圍、轉(zhuǎn)彎半徑納入考量，生成的航路更加合理并且也更容易運(yùn)用到實(shí)際應(yīng)用中。本發(fā)明還通過(guò)限制變異和交叉方式，保證每架無(wú)人機(jī)都能夠得到分配位置，防止出現(xiàn)漏分錯(cuò)分的情況，進(jìn)一步提高任務(wù)分配的質(zhì)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無(wú)人機(jī)群在自主飛行過(guò)程中的航路規(guī)劃、目標(biāo)分配，具體設(shè)計(jì)了一種無(wú)人機(jī)群編隊(duì)隊(duì)形重構(gòu)的航路構(gòu)建方法。

背景技術(shù)

隨著無(wú)人機(jī)的技術(shù)發(fā)展，無(wú)人機(jī)在作戰(zhàn)中發(fā)揮的作用越來(lái)越突出。多個(gè)無(wú)人機(jī)組成編隊(duì)執(zhí)行協(xié)同探測(cè)、偵查、作戰(zhàn)等任務(wù)的整體性能相比單個(gè)無(wú)人機(jī)有了很大程度的提高。多無(wú)人機(jī)(UAVs)編隊(duì)飛行執(zhí)行協(xié)同偵察、作戰(zhàn)任務(wù)已經(jīng)可以在一定程度上提高單機(jī)單次作戰(zhàn)任務(wù)的成功率,因而引起各國(guó)對(duì)多機(jī)編隊(duì)飛行的研究熱潮。無(wú)人機(jī)群在編隊(duì)飛行過(guò)程中，面對(duì)不同的任務(wù)需求和威脅類(lèi)型以及為了在空戰(zhàn)中獲得更好的對(duì)敵優(yōu)勢(shì)，需要實(shí)時(shí)調(diào)整無(wú)人機(jī)群的編隊(duì)隊(duì)形，給隊(duì)形中的每架無(wú)人機(jī)構(gòu)建航路，進(jìn)而完成隊(duì)形的調(diào)整工作。

現(xiàn)有的編隊(duì)重構(gòu)研究中，常見(jiàn)的是把編隊(duì)重構(gòu)過(guò)程轉(zhuǎn)化為一個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行考量，在解決這一最優(yōu)化問(wèn)題過(guò)程中，優(yōu)化的目標(biāo)變量是每架無(wú)人機(jī)的控制輸入時(shí)間序列，采用的代價(jià)函數(shù)是以重構(gòu)過(guò)程所耗時(shí)間、重構(gòu)過(guò)程所耗燃料等為參數(shù)的方程，在最優(yōu)化過(guò)程中需要添加的約束包括無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)性能約束等。由于使用最優(yōu)化問(wèn)題求解這一過(guò)程較為復(fù)雜，求解計(jì)算量也隨著無(wú)人機(jī)編隊(duì)中無(wú)人機(jī)數(shù)量的增加而顯著增加，大部分狀態(tài)優(yōu)化的解決方案都是基于簡(jiǎn)單線(xiàn)性化模型，而很少有使用非線(xiàn)性模型進(jìn)行規(guī)劃的。

航路規(guī)劃是指在給定約束條件下，尋找飛行器從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)，并且滿(mǎn)足某種性能指標(biāo)和某些約束的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)路徑。航路規(guī)劃算法已經(jīng)有很多種，較為常見(jiàn)的有梯度法、退火算法、A*算法、遺傳算法和蟻群算法等等。然而這些算法在使用過(guò)程中往往忽略了無(wú)人機(jī)的性能約束，例如無(wú)人機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑限制和速度限制等，導(dǎo)致解算出來(lái)的路徑可能無(wú)法真正用于實(shí)踐。同時(shí)，由于這些算法在考慮優(yōu)化參數(shù)時(shí)，通常以時(shí)間最省或者路徑最短為優(yōu)化目標(biāo)，但沒(méi)有考慮到無(wú)人機(jī)在到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)處時(shí)的速度大小和方向問(wèn)題。導(dǎo)致即便無(wú)人機(jī)能夠在到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的瞬間組成預(yù)設(shè)隊(duì)形，這個(gè)隊(duì)形也會(huì)因?yàn)樗俣鹊牟町惗罎ⅰ?/p>

基于以上背景，為了縮短無(wú)人機(jī)群在隊(duì)形重構(gòu)過(guò)程中飛行的距離，加快無(wú)人機(jī)隊(duì)形調(diào)整速度，同時(shí)滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)群在重構(gòu)前后隊(duì)形持續(xù)穩(wěn)定，需要一種有效的航路構(gòu)建方法。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上背景，本發(fā)明的目的在于提出一種有效的航路構(gòu)建方法，將編隊(duì)重構(gòu)分解為任務(wù)分配和航路規(guī)劃，進(jìn)而完成新隊(duì)形的構(gòu)建工作。相比于現(xiàn)有方法，本發(fā)明提出的方法將無(wú)人機(jī)的速度范圍、轉(zhuǎn)彎半徑等性能參數(shù)納入考慮范圍，并且保證各無(wú)人機(jī)在隊(duì)形重構(gòu)完成后速度大小和方向一致，組成穩(wěn)定編隊(duì)。本發(fā)明還具有良好的可擴(kuò)展性，即便無(wú)人機(jī)群的無(wú)人機(jī)數(shù)量發(fā)生變化，方法依然適用，且運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較短，硬件成本小。

本發(fā)明提供了一種將隊(duì)形重構(gòu)分解為任務(wù)分配和航路規(guī)劃，完成無(wú)人機(jī)群隊(duì)形重構(gòu)的航路構(gòu)建方法，該方法具體包括：

步驟S1，分別在新隊(duì)形和舊隊(duì)形中為無(wú)人機(jī)進(jìn)行編號(hào)，并根據(jù)各無(wú)人機(jī)在新舊隊(duì)形中的編號(hào)，建立位置匹配關(guān)系，從而完成染色體的編碼；

步驟S2，改進(jìn)Dubins算法，建立航路規(guī)劃模型，評(píng)估一架僚機(jī)從當(dāng)前位置直至它到達(dá)隊(duì)形中正確位置并完成速度調(diào)整所飛行的距離，在速度調(diào)整完成之后，僚機(jī)與長(zhǎng)機(jī)速度大小和方向保持一致；

步驟S3，為應(yīng)用遺傳算法，將整個(gè)無(wú)人機(jī)群作為種群，并進(jìn)行種群的初始化，設(shè)置種群大小、種群變異概率和種群迭代代數(shù)；