[發明專利]一種基于改進遺傳算法的多異構無人機任務分配方法

有效

• 申請號: 202010642900.1
• 申請日: 2020-07-06
• 公開（公告）號: CN111860984B
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 韓松;范晨晨;李鑫濱;趙海紅
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q10/06;G06N3/12
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 姜威威;李洪福

本發明公開了一種基于改進遺傳算法的多異構無人機任務分配方法，屬于無人機技術領域，該方法通過綜合考慮資源消耗、任務完成效果和負載均衡、資源有限、任務優先級等多重約束，建立了任務分配優化模型；采用矩陣編碼方式將每個可行的任務分配方案編碼為一個完整的染色體；針對現有遺傳算法求解精度不足、求解速度過慢的問題，提出了模糊精英度的概念，并在此基礎上對各遺傳操作進行改進，利用改進后的遺傳算法對構建的優化模型進行求解，在有限的迭代次數內獲得最優的任務分配方案。本發明在多智能體協同控制領域有良好的通用性，具有求解速度快、求解精度高的優點，能夠有效解決具有多重約束的多異構無人機系統的任務分配問題。

技術領域

本發明屬于無人機技術領域，具體涉及一種基于改進遺傳算法的多異構無人機任務分配方法。

背景技術

無人機以其獨具的低成本和強大的可操作性，在軍事、農業和商業應用領域均做出了卓越貢獻。然而，由于機載資源受限，單架無人機在大部分情況下難以滿足日益復雜的任務需求。與單架無人機相比，由功能互補的無人機所組成的異構無人機系統具有速度快、靈活性高的優點，能夠保證高效率、高可靠性地完成任務。在大規模任務場景中，無人機系統需要執行多種任務(如偵察任務、攻擊任務和驗證任務)，任務分配的優化效果直接影響無人機系統的工作效率。因此，異構無人機系統的任務分配問題已經成為多無人機控制領域的一個熱點問題。

多異構無人機任務分配問題是一個復雜的組合優化問題，由于無人機任務場景的復雜性，需要考慮的約束也更加全面和多樣化。考慮到負載均衡的任務分配方案不僅能有效地防止部分無人機出現資源不足的情況，還可以減少無人機系統的任務執行時間，因此，在構建優化模型時，有必要加上負載均衡約束。然而，由于涉及到多個無人機之間的資源協調，負載均衡問題變得難以解決。另外，為了在保證任務的有效執行的前提下減少不必要的資源消耗，需要在優化模型中加入對任務完成效果的評價，雖然多重約束的引入有利于提高解的有效性，但也使得任務分配優化問題變得更加難以解決，隨著任務規模和任務復雜度的增加，現有遺傳算法的收斂速度變慢，求解精度變低，這會導致任務分配效率過低，因此，設計一種適用于復雜任務分配背景且具有高精度、快速求解能力的多異構無人機任務分配方法尤為關鍵。

發明內容

根據現有技術存在的問題，本發明公開了一種基于改進遺傳算法的多異構無人機任務分配方法，包括以下步驟：

S1:基于無人機本體設計約束和任務場景要求，構建具有多重約束的多異構無人機系統任務分配優化模型；

S2:針對無人機的異構性和任務的獨特性，采用矩陣編碼方式，將任意一個適用于任務分配優化問題的可行解編碼為一個矩陣形式的完整染色體；

S3:采用改進的遺傳算法對任務分配優化模型進行求解，在最大迭代次數下求得的最優解即為多異構無人機系統的最佳任務分配方案。

進一步地，所述構建具有多重約束的多異構無人機系統任務分配優化模型包括以下步驟：

S1-1:建立無人機集合與目標集合，獲取各無人機的機載資源信息、位置信息、攜帶的傳感器類型以及各目標的位置信息、需執行的任務種類；

S1-2:定義無人機的執行能力，為剩余資源多的無人機賦予更強的執行能力；

S1-3:以無人機系統的資源消耗最小化、無人機系統的執行能力最大化和任務執行效果最優化為目標來構建適應度函數，結合任務優先級約束和無人機機載資源有限的約束，建立任務分配優化模型。

進一步地，所述可行解被編碼為一個5行3N列的矩陣，其中3代表每個目標上都要執行的任務數量，N代表目標的數量；染色體的每一行分別代表目標編號、任務編號、無人機編號、無人機與目標中心之間的距離、無人機航向與目標之間的夾角；染色體的每一列都代表任務與無人機的一個任務匹配，染色體中的列的順序表示無人機的任務執行順序。

進一步地，所述采用改進的遺傳算法對多異構無人機系統任務分配優化模型進行求解包括以下步驟：