[發明專利]基于協作粒子群優化算法的多機協同航路規劃方法及系統

在審

• 申請號: 202011047736.6
• 申請日: 2020-09-29
• 公開（公告）號: CN112214930A
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發明（設計）人: 呂明偉;張少卿;王言偉;劉偉;王文哲
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司沈陽飛機設計研究所
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06Q10/04;G06Q50/30;G06N3/00;G01C21/20;G06F111/04;G06F111/06
• 代理公司: 北京航信高科知識產權代理事務所(普通合伙) 11526
• 代理人: 劉傳準

本申請屬于飛機巡航解算技術領域，涉及一種基于協作粒子群優化算法的多機協同航路規劃方法及系統。所述方法包括以多機協同航路規劃中各飛機的航路作為粒子群算法的個體；計算每個個體的性能代價，以所述性能代價最優為目標更新個體的最優位置；計算整個種群的最優位置；更新種群中個體的速度和位置；進行個體的位置和速度的值域空間邊界限定；對每個個體與其他所有小生境中表現最好的個體所代表的航路進行協同策略限定。本申請不僅能夠單架飛機的性能約束限制，同時也能夠滿足編隊飛機協作要求，包括時域協同和空域協同，為現有型號及后續型號實現該功能奠定了基礎。

技術領域

本申請屬于飛機巡航解算技術領域，特別涉及一種基于協作粒子群優化算法的多機協同航路規劃方法及系統。

背景技術

隨著飛機應用領域的不斷擴展，任務難度的不斷增大，經常需要多架飛機合作完成一項任務，比如多架攻擊飛機針對多個目標開展打擊任務，這要求飛機必須同一時間到達目標。

多機協同航路規劃的目的是為每架飛機規劃出一條航路，能夠滿足飛機自身的約束限制，同時滿足編隊飛機編隊的協作要求。

相對于單機航路規劃，多機協同航路規劃要更復雜，有時需要降低單架飛機的性能，以達到整個編隊的整體性能最優。

多機協同航路規劃問題需要面臨兩類約束條件：

一類是與單機航路規劃相同的航路約束(飛機自身的約束限制)，比如最小轉彎半徑、最大飛行距離、最大爬升率等，這些單機航路規劃約束是保證飛機的基本保障；

另外一類是與其他飛機相關聯的約束條件(編隊飛機編隊的協作要求)，按照時間和空間的不同，又可以分為空域協同和時域協同兩方面。時域協同是指各飛機在時間序列上，需要滿足約定的時間或時序要求。空域協同是指飛機彼此無碰撞。

目前已有的多機協同航路規劃技術多數是基于A*算法、人工視場等方法，這些技術主要存在以下缺陷及不足：

a、傳統的航路規劃算法大多是基于單元分解或者概略圖的方法，因此對于構造的規劃空間必須在航路規劃前完成。然而規劃空間的構造在環境較復雜時顯得尤為困難，不僅僅針對于簡單的二維航跡，對于三維空間更是如此，其構造難度隨著空間的復雜度呈現指數增長。因此目前絕大多數航路規劃算法在搜索之前都已經假設環境信息已經通過單元分解或者概略圖的方法構造完成。對于構造好的規劃空間來說，在其上進行航跡搜索也是非常耗時的。

b、絕大多數根據數學規劃方法所定義的根據所提供的代價函數來確定最優航跡雖然最終所規劃的航跡滿足理想條件下的要求，但是在實際條件下，這樣所規劃的航跡并不一定能真正執行，比如A*算法航跡節點的擴展是以當前節點在所規劃空間的所有可到達的相鄰節點內進行擴展，待擴展方向時所有當前節點可到達的方向，但有時航跡的方向并不一定滿足實際情況。因此航路規劃不僅需要考慮航跡的優劣，也需要考慮實際現實情況，這些情況包括飛機的物理條件限制(如最大轉彎角度、最大升/降角度、最短飛行距離、最低/高飛行高度、燃油、探測范圍、飛行速度等)、飛行任務的需求限制(如飛行時間、飛行距離、匹配區域、到達目標方向、可變任務等)。即最短路徑算法下，飛機性能不一定能夠與之匹配。

c、受規劃空間以及規劃算法的影響，目前的規劃算法考慮最多的因素就是規劃的實時性要求。因為在解決此類問題上還沒有一種方法在極短的時間內滿足所需求的最優航跡。即使是同一種算法在不同的規劃空間中也隨著環境的復雜程度其規劃時間有較大差別，尤其規劃時間會隨著規劃環境的擴大呈現指數增長，在高維空間中，即使是對處理器的內存也是具有相當大的挑戰。在預先已知所有威脅的離線航路規劃來說規劃可提前完成，對于威脅或環境可變的在線航路規劃來說，實時要求的程度更高，因為在實際飛行過程中，不可能有過多的時間在空中進行等待來進行針對位置環境的航跡再規劃。