[發明專利]一種柵格尺度自適應的多無人機協同搜索方法

有效

• 申請號: 202110576471.7
• 申請日: 2021-05-26
• 公開（公告）號: CN113311864B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 柴興華;陳彥橋;張小龍;雷耀麟;劉廈
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第五十四研究所
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 河北東尚律師事務所 13124
• 代理人: 王文慶

本發明公開了一種柵格尺度自適應的多無人機協同搜索方法，屬于無人機集群協同控制技術領域。該方法根據無人機搜索傳感器的幅寬及搜索重復率要求，自適應對任務區域進行柵格化處理，并對每個柵格及所有無人機進行引力場及斥力場計算并進行矢量疊加，生成所有無人機的運動方向，以此驅動每個無人機沿該方向移動至下一柵格位置，更新該柵格的任務屬性為已搜索，如此循環往復，直至整個任務區域全部變為已搜索，則任務結束。該方法通過引入柵格尺度自適應機制及可定義的柵格模板，既保證了搜索覆蓋率的最大化，同時兼顧搜索效率，對于解決無人機集群協同遍歷搜索問題具有較高魯棒性。

技術領域

本發明屬于無人機集群協同控制技術領域，特別是指一種柵格尺度自適應的多無人機協同搜索方法。

背景技術

多無人機協同遍歷搜索問題是無人機集群應用的典型場景之一，是無人機在軍事察打、應急救援、通信保障等軍民領域應用中需要考慮的執行策略問題。該問題近年一直是無人機應用領域的熱點研究問題之一，國內外眾多專家學者針對多無人機協同搜索以及區域覆蓋問題展開了大量研究，提出了基于遺傳算法、概率圖、信息素、人工勢場法在內的多類實現途徑，旨在探索如何利用多架無人機以最小的代價協同搜索發現特定任務區域內可能存在的多個目標。

多無人機協同遍歷搜索過程中會面臨兩個主要的約束條件：1)防止無人機之間以及無人機與障礙物之間發生碰撞，行為法、模糊控制法、人工勢場法等均是為解決此問題而被提出；2)將重復搜索或者無效搜索的情況降到最低，為此，基于區域分割、概率圖、信息素的各類算法被提出。當前諸多關于協同搜索策略的研究均是圍繞這兩個問題展開，傳統解決方案為針對特定任務區域采用子區分治策略，即先對任務區域進行區域分割，形成與無人機數量相同的子區，然后將不同的無人機投放到不同子區內，最后每架無人機在對應子區內按掃描線、螺旋線等方式進行遍歷搜索，但該策略對動態目標實用性不強。有學者將遍歷搜索問題簡化為任務區域內隨機分布許多目標點的旅行商問題，將任務區域進行柵格化處理，可以有效提高區域覆蓋率，然而旅行商問題的求解復雜度與目標數量正相關，當目標數量較多即柵格化顆粒度較細時，存在難以收斂等問題。基于概率圖、信息素等思想的協同搜索算法，可以有效解決多無人機協同搜索優化問題中的組合優化問題，在計算時間、任務分配難度和區域覆蓋率等方面有著明顯的優勢，但也普遍存在計算時間長、很難找到全局最優解等問題。基于人工勢場法的協同搜索由于簡單快捷的優勢被眾多研究者青睞，同時許多基于人工勢場法的改進算法及與其他算法如遺傳算法的結合方法也被提出，但基于人工勢場法遇到大目標時的不穩定情況限制了其在多無人機協同搜索中的應用。

發明內容

有鑒于此，本發明提出一種柵格尺度自適應的多無人機協同搜索方法，該方法增加了柵格尺度自適應機制，并通過可定義的柵格模板及機間安全距離作為決策約束，既保證了搜索覆蓋率的最大化，同時兼顧了搜索效率提升，對于解決大規模無人機集群協同遍歷搜索問題具有較高魯棒性。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種柵格尺度自適應的多無人機協同搜索方法，包括如下步驟：

步驟1：設定待搜索的任務區域、無人機數量、無人機飛行速度、無人機初始位置、無人機搭載的搜索傳感器的覆蓋范圍，以及搜索任務的搜索重復率△D；所述任務區域為多邊形；無人機搭載的搜索傳感器的覆蓋范圍為，以無人機所在位置為中心，以固定長度D為直徑的圓形區域；△D＜D/4；

步驟2：以D-2△D為柵格邊長，以多邊形各頂點的最小x坐標分量和最小y坐標分量所組成的坐標為原點，將任務區域進行柵格化，并為每個柵格賦予任務狀態，任務狀態的初始值為0，表示該柵格未被搜索，若柵格被搜索過，則該柵格的任務狀態變為1；

步驟3：設定無人機之間的安全距離，若兩個無人機的間距小于安全距離，則產生相互斥力，斥力方向與兩架無人機之間的連線平行；若一無人機與任何其他無人機的間距均大于安全距離，則該無人機所受斥力為0；