[發(fā)明專(zhuān)利]一種仿原鴿個(gè)體屬性智能行為的無(wú)人機(jī)集群協(xié)同控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110779558.4
• 申請(qǐng)日: 2021-07-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113359852B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-11-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏晨;申燕凱;段海濱;鄧亦敏;周銳;吳江
• 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: 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛(ài)華

本發(fā)明公開(kāi)一種仿原鴿個(gè)體屬性智能行為的無(wú)人機(jī)集群協(xié)同控制方法。包括：原鴿個(gè)體屬性建模、原鴿個(gè)體交互機(jī)制建模、原鴿個(gè)體貢獻(xiàn)建模、原鴿個(gè)體社會(huì)關(guān)系建模、原鴿個(gè)體運(yùn)動(dòng)特性建模、無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)建模以及仿原鴿個(gè)體屬性智能行為的無(wú)人機(jī)集群協(xié)同控制模型。本發(fā)明方法定義了原鴿群平等主義和層級(jí)主義兩種狀態(tài)，并從交互模式、貢獻(xiàn)特性、社會(huì)地位、運(yùn)動(dòng)特性四個(gè)方面來(lái)描述原鴿個(gè)體屬性。其次，建立了原鴿個(gè)體貢獻(xiàn)建模、原鴿個(gè)體社會(huì)關(guān)系建模，并將建立的交互模型、貢獻(xiàn)模型、社會(huì)關(guān)系模型應(yīng)用于建立原鴿個(gè)體運(yùn)動(dòng)特性模型。最后，建立了仿原鴿個(gè)體屬性智能行為的無(wú)人機(jī)集群協(xié)同控制模型，用以無(wú)人機(jī)集群協(xié)同控制問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種仿原鴿個(gè)體屬性智能行為的無(wú)人機(jī)集群協(xié)同控制方法，屬于無(wú)人機(jī)自主控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著信息技術(shù)特別是人工智能的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用進(jìn)入了發(fā)展的快車(chē)道。在軍事領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)在監(jiān)視、搜索、攻擊等復(fù)雜多任務(wù)場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用；在民用領(lǐng)域，各種無(wú)人機(jī)產(chǎn)品也已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)灌溉、電力巡線(xiàn)等方面。因此，無(wú)人機(jī)已成為經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要組成部分和驅(qū)動(dòng)力。此外，隨著無(wú)人機(jī)自主能力和智能化水平的提高，無(wú)人機(jī)集群協(xié)同已成為未來(lái)發(fā)展的重要方向。

作為無(wú)人機(jī)集群協(xié)同研究的一個(gè)研究方向，無(wú)人機(jī)集群協(xié)同控制是提高系統(tǒng)自組織性能和魯棒性的關(guān)鍵研究領(lǐng)域。從控制理論角度看，所涉及的控制方法主要包括領(lǐng)導(dǎo)-跟隨法、虛擬結(jié)構(gòu)法、人工勢(shì)場(chǎng)法、路徑跟隨法、一致性法等。其中，領(lǐng)導(dǎo)-跟隨法具有控制結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的明顯優(yōu)點(diǎn)。但由于該方法過(guò)度依賴(lài)領(lǐng)導(dǎo)者、系統(tǒng)魯棒性差等不足，一旦領(lǐng)導(dǎo)無(wú)人機(jī)發(fā)生故障或戰(zhàn)損，極有可能造成整個(gè)集群編隊(duì)系統(tǒng)癱瘓。虛擬結(jié)構(gòu)法可以克服領(lǐng)導(dǎo)-跟隨法的一些不足，有助于保持集群編隊(duì)構(gòu)型。但該方法靈活性不高和適應(yīng)性不夠強(qiáng)，難以滿(mǎn)足復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、不確定環(huán)境下的任務(wù)需求。雖然人工勢(shì)場(chǎng)法具有實(shí)時(shí)性好、在線(xiàn)計(jì)算能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)可能出現(xiàn)局部極小值的情況，進(jìn)而造成目標(biāo)不可達(dá)。對(duì)于路徑跟隨方法，它僅適用于有限的通信場(chǎng)景，但信息同步性提出更高要求。

集群行為在自然界中普遍存，如：鳥(niǎo)群編隊(duì)飛行、集群覓食等。一般來(lái)說(shuō)，這些行為的共同之處在于，簡(jiǎn)單個(gè)體通過(guò)局部互動(dòng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)自身的行為狀態(tài)和行為模式，快速、有效地響應(yīng)內(nèi)部或外部的變化，并完成遷移、覓食、躲避捕食者等復(fù)雜任務(wù)，具有自組織性高、魯棒性和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。考慮到生物群集系統(tǒng)無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)之間在自主性、智能性、魯棒性等方面的相似性，通過(guò)對(duì)鳥(niǎo)群等典型生物群體協(xié)調(diào)一致運(yùn)動(dòng)和決策的內(nèi)在機(jī)理的研究，解決無(wú)人機(jī)集群的協(xié)調(diào)控制中的關(guān)鍵問(wèn)題，突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸。

此外，現(xiàn)有的集群行為仿真和模擬模型雖然各有側(cè)重，但較少?gòu)膫€(gè)體與群體之間的關(guān)系出發(fā)，細(xì)致分析個(gè)體之間的同質(zhì)性和異質(zhì)性，以及個(gè)體對(duì)群體行為決策的影響。研究表明，原鴿在集群飛行過(guò)程中可根據(jù)當(dāng)前群體飛行狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)調(diào)整。通過(guò)對(duì)真實(shí)的數(shù)據(jù)觀(guān)察分析可知，原鴿個(gè)體處于平等主義狀態(tài)平均軌跡曲率明顯小于層級(jí)主義狀態(tài)下的平均軌跡曲率，并且在層級(jí)主義狀態(tài)下隱藏層級(jí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。因此，本發(fā)明從集群系統(tǒng)狀態(tài)、交互模式、個(gè)體貢獻(xiàn)、社會(huì)地位、動(dòng)力學(xué)特性等方面出發(fā)，建立基于原鴿個(gè)體屬性特性的模型，并在此基礎(chǔ)上提出了一種仿原鴿個(gè)體屬性智能行為的無(wú)人機(jī)集群協(xié)同控制方法，用于解決無(wú)人機(jī)集群協(xié)同控制問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明從交互模式、集群系統(tǒng)狀態(tài)、動(dòng)力學(xué)特性出發(fā)構(gòu)建原鴿個(gè)體屬性特征模型。同時(shí)構(gòu)建原鴿個(gè)體屬性模型與無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型關(guān)系，提出無(wú)人機(jī)集群協(xié)同控制方法，使無(wú)人機(jī)集群具有多種行為狀態(tài)和模式組合，解決無(wú)人機(jī)集群協(xié)同控制中的結(jié)構(gòu)單一、適應(yīng)能力差等問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明方法的主要步驟如下：

步驟一：原鴿個(gè)體屬性建模