[發(fā)明專(zhuān)利]一種異構(gòu)無(wú)人機(jī)集群分布式時(shí)空協(xié)調(diào)控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010216706.7
• 申請(qǐng)日: 2020-03-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111580545B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙江;孫佳茗;蔡志浩;王英勛
• 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
• 代理公司: 北京航智知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11668
• 代理人: 陳磊;張楨

本發(fā)明公開(kāi)了一種異構(gòu)無(wú)人機(jī)集群分布式時(shí)空協(xié)調(diào)控制方法，將集群內(nèi)個(gè)體劃分為領(lǐng)航者、協(xié)調(diào)者和跟隨者，由不同任務(wù)角色產(chǎn)生不同功能形成異構(gòu)無(wú)人機(jī)集群，進(jìn)一步建立了異構(gòu)集群無(wú)人機(jī)分布式時(shí)空協(xié)調(diào)控制框架，設(shè)計(jì)了異構(gòu)無(wú)人機(jī)集群的協(xié)調(diào)機(jī)制，并根據(jù)角色功能分別設(shè)計(jì)代價(jià)函數(shù)，將協(xié)調(diào)控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化問(wèn)題，進(jìn)而采用群體智能優(yōu)化算法進(jìn)行求解，以實(shí)現(xiàn)集群無(wú)人機(jī)形成并保持期望隊(duì)形。本發(fā)明設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)機(jī)制決定不同角色和個(gè)體之間的從屬關(guān)系和期望相對(duì)位置關(guān)系，限定信息交互的對(duì)象和內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)間高效的通信和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)作用，支持了集群的可擴(kuò)展性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于異構(gòu)集群無(wú)人機(jī)協(xié)調(diào)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種面向集群無(wú)人機(jī)隊(duì)形生成與保持的多任務(wù)角色切換機(jī)制和分布式時(shí)空協(xié)調(diào)控制方法。

背景技術(shù)

集群往往是指大規(guī)模有限智能個(gè)體之間通過(guò)局部交互實(shí)現(xiàn)群體智能涌現(xiàn)的一種組織形式。其中，“大規(guī)模”說(shuō)明個(gè)體數(shù)量之龐大；“有限智能個(gè)體”一方面強(qiáng)調(diào)了個(gè)體具有一定的自主能力從而體現(xiàn)其智能性，另一方面也說(shuō)明個(gè)體只遵循簡(jiǎn)單的行為規(guī)則且單憑個(gè)體能力不足以獨(dú)立完成復(fù)雜任務(wù)；“局部交互”說(shuō)明個(gè)體只能獲得與之相鄰的其他個(gè)體和環(huán)境的信息；“群體智能涌現(xiàn)”則是指通過(guò)個(gè)體之間的相互作用實(shí)現(xiàn)整體能力大于個(gè)體能力之和的效果。在自然界中，鳥(niǎo)群、魚(yú)群、蟻群、蜂群等生物群體都可以看作集群，且生物的集群運(yùn)動(dòng)往往能獲取最大群體優(yōu)勢(shì)。研究者們通過(guò)觀察和模擬生物集群行為，總結(jié)出集群具有可擴(kuò)展性好、靈活性高和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)。受自然界生物集群的啟發(fā)，Beni等人在1993年提出了集群智能(Swarm Intelligence)的概念，并將其作為一種人工智能模式引入到傳統(tǒng)的多個(gè)體系統(tǒng)中拓展為大規(guī)模集群系統(tǒng)，引起了眾多研究者們的關(guān)注。

無(wú)人機(jī)是可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制或自主控制裝置操縱的、具有特定任務(wù)導(dǎo)向性的非載人飛行器，旨在減少飛行員的犧牲并突破有人機(jī)的限制去完成更加復(fù)雜的任務(wù)。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)所執(zhí)行任務(wù)的復(fù)雜程度不斷增加，應(yīng)用的領(lǐng)域不斷拓展，特別是高度對(duì)抗性、高度不確定性、高度動(dòng)態(tài)性的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和多元化、信息化的作戰(zhàn)模式促使無(wú)人機(jī)系統(tǒng)向著集群化、自主化和智能化的方向發(fā)展。因此，集群無(wú)人機(jī)通常是由大規(guī)模的具有一定自主能力的同構(gòu)/異構(gòu)小型無(wú)人機(jī)構(gòu)成，集群中不存在中心控制且個(gè)體往往只能進(jìn)行局部的感知和通信。由于引入集群智能的自組織機(jī)制和分布式架構(gòu)，將使得具備自主能力的大規(guī)模集群無(wú)人機(jī)能夠在沒(méi)有集中控制的情況下通過(guò)相互信息交互產(chǎn)生整體效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)較高程度的自主協(xié)作，從而能在盡量少的人的干預(yù)下完成預(yù)期任務(wù)，體現(xiàn)其“數(shù)量提升能力、成本創(chuàng)造優(yōu)勢(shì)、整體大于部分之和”的意義。

集群無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)包括集群通信組網(wǎng)、協(xié)同感知與態(tài)勢(shì)共享、協(xié)同任務(wù)分配與決策、集群運(yùn)動(dòng)控制等。其中，集群運(yùn)動(dòng)控制是直接作用于集群無(wú)人機(jī)的重要環(huán)節(jié)，可進(jìn)一步分為有定形的編隊(duì)控制和無(wú)定形的群集控制。無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制旨在使眾多無(wú)人機(jī)達(dá)到期望的約束狀態(tài)，往往是某種特定的幾何形狀；而群集控制則側(cè)重于使得集群無(wú)人機(jī)保持一種聚集且不相互碰撞的狀態(tài)，個(gè)體之間的相對(duì)位置關(guān)系沒(méi)有嚴(yán)格的限制。目前，集群無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的主要方法有：領(lǐng)航跟隨法、人工勢(shì)場(chǎng)法、一致性協(xié)議法和基于行為法等。其中，領(lǐng)航跟隨法是在無(wú)人機(jī)集群中指定一個(gè)或多個(gè)領(lǐng)航者，其他均為跟隨者，群體的運(yùn)動(dòng)通過(guò)對(duì)領(lǐng)航者狀態(tài)信息的共享而實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而可以通過(guò)對(duì)領(lǐng)航者的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)集群的控制。傳統(tǒng)的領(lǐng)航跟隨法往往沒(méi)有精確的隊(duì)形反饋，如果領(lǐng)航者出現(xiàn)故障會(huì)導(dǎo)致集群的混亂，魯棒性有待提高。此外，當(dāng)需要進(jìn)行全局通信時(shí)與集中式控制相似，計(jì)算量較大，不利于群體的擴(kuò)展。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述已有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種異構(gòu)無(wú)人機(jī)集群分布式時(shí)空協(xié)調(diào)控制方法，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

一種異構(gòu)無(wú)人機(jī)集群分布式時(shí)空協(xié)調(diào)控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：通過(guò)角色和功能分劃形成異構(gòu)無(wú)人機(jī)集群；