[發明專利]一種基于約束松弛技術的無人機集群在線目標分配方法

有效

• 申請號: 202110482317.3
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113190041B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發明（設計）人: 郝寧;賀風華;田春耕;姚昊迪
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 黑龍江立超同創知識產權代理有限責任公司 23217
• 代理人: 楊立超

一種基于約束松弛技術的無人機集群在線目標分配方法，屬于無人機目標分配技術領域，用以解決現有技術無法在有限時間內高效解決無人機機群目標分配的問題。本發明的技術要點包括：建立了無人機機群協同攔截敵方機群中的目標分配問題的數學模型，使用帶有嚴格約束的線性模型來描述分配問題，能夠在合理的時間內求解出線性分配問題的最優解；設計代價函數時考慮了攔截目標的能耗、攔截時間和目標的威脅程度；進一步地，放寬了約束條件，使得松弛后的分配問題轉化為無約束線性分配問題，進一步減少了計算量。本發明平衡了模型求解計算效率和建模精度，在有限時間內高效地解決了無人機機群目標分配問題。本發明可應用于多無人機協同目標分配系統之中。

技術領域

本發明涉及無人機目標分配技術領域，具體涉及一種基于約束松弛技術的無人機集群在線目標分配方法。

背景技術

近年來，精確導航技術和5G通信技術的發展，使得無人機的集群應用越來越普遍。自組織能力和智能的提高使其廣泛應用于多種任務，如火災監測、協同搜索和協同攔截等。

然而，增強的自主能力可能會促使無人機機群被用于不正當的目的。因此，有必要設計適當的方法攔截具有不可接受用途的無人機機群。傳統的防空武器如導彈來摧毀入侵的無人機是可能的解決方案之一。一個問題是，入侵者可能有很多，而且每個都有非常低的成本，用昂貴的導彈摧毀它們可能并不經濟；另一種選擇是利用無人機攔截入侵無人機，以達到更好的效益。因此，有必要研究無人機機群協同攔截方法，其中無人機機群的協調與協作是核心問題。

早期無人機協同攔截目標的方法集中在攔截單一目標上，很少涉及多對多攔截問題。這類多對多攔截問題的復雜性是由目標分配問題和軌跡規劃問題之間的固有耦合引起的。考慮到一組無人機協同攔截多個目標的情況，近年來出現了一種分層結構來連續分配和攔截目標，后續研究也采用分而治之的策略來解決類似的任務。

目標分配問題是典型的組合優化問題。最簡單的形式是將某些目標分配給其他對象。這種問題經常出現，特別是在武器目標分配，多機器人任務分配和運輸管理問題上。根據代價函數的形式，目標分配問題可分為線性或二次問題。但是，到目前為止，還沒有確切的算法可以在合理的計算時間內解決二次分配問題。雖然可以使用匈牙利算法或基于拍賣的分布式算法，在多項式時間內計算線性分配問題的最優解，但是線性分配模型無法表達分配變量之間的耦合影響。

發明內容

鑒于以上問題，本發明提出一種基于約束松弛技術的無人機集群在線目標分配方法，用以解決現有技術無法在有限時間內高效解決無人機機群目標分配的問題。

一種基于約束松弛技術的無人機集群在線目標分配方法，包括下述步驟：

步驟一、獲取目標無人機數據和攔截器數據；其中，所述目標無人機數據包括無人機數量、位置、速度和威脅度；所述攔截器數據包括攔截器數量、位置和速度；

步驟二、根據所述目標無人機數據和攔截器數據構建帶約束條件的目標分配模型；

步驟三、計算獲取滿足所述約束條件的目標分配模型最優解，并將所述最優解作為無人機目標分配結果。

進一步地，步驟二中所述目標分配模型的目標函數表達式為：

其中，N_U表示攔截器總數；N_T表示目標無人機總數；c_ij∈R，表示代價函數；x_ij∈{0,1}，表示是否將攔截器分配給目標無人機，等于1代表是，等于0代表否。

進一步地，步驟二中所述約束條件包括：

其中，μ_j表示分配給目標無人機的攔截器數量的最大值。