一種用于雙無(wú)人機(jī)協(xié)同的時(shí)空同步匹配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)人系統(tǒng)領(lǐng)域，具體描述的是一種用于雙無(wú)人機(jī)協(xié)同的時(shí)空同步匹配 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)人機(jī)作為一種新興的偵察手段，為有人偵察機(jī)和偵察衛(wèi)星提供了重要補(bǔ)充，在 執(zhí)行偵察任務(wù)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：（1)無(wú)人機(jī)可以在指定區(qū)域上空滯留，進(jìn)行 長(zhǎng)期的持續(xù)盤旋偵察。（2)無(wú)人機(jī)飛行軌道多變，不易被跟蹤，生存能力強(qiáng)。（3)高空飛行 無(wú)人機(jī)受自然環(huán)境等的影響較小，探測(cè)精度高、信息傳輸時(shí)延小。（4)無(wú)人機(jī)任務(wù)執(zhí)行成本 相對(duì)較低，而且能獲取較高的情報(bào)信息，效費(fèi)比高。因此，采用單架以及多架無(wú)人機(jī)搭載不 同任務(wù)載荷執(zhí)行偵察、監(jiān)視以及對(duì)地觀測(cè)等任務(wù)的需求不斷增加。在越來(lái)越高的任務(wù)需求 下，多無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃的作用也日益凸現(xiàn)。
[0003] 多無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃的目的是根據(jù)無(wú)人機(jī)載荷性能及任務(wù)要求，對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行合理 的分配，最大限度地發(fā)揮有效載荷的作用，保證完成任務(wù)的總體效能最優(yōu)。針對(duì)多無(wú)人機(jī)任 務(wù)規(guī)劃問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)展開了很多相關(guān)的研究。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA)的 自治編隊(duì)混合主動(dòng)控制項(xiàng)目探索新的監(jiān)視和控制手段以便實(shí)現(xiàn)相對(duì)較少的操作人員對(duì)大 規(guī)模無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)編隊(duì)的控制，重點(diǎn)解決多任務(wù)分解和分配問(wèn)題。Ryan等人在文獻(xiàn)中將多 無(wú)人機(jī)協(xié)同偵察任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題視為帶有時(shí)間窗的多旅行商問(wèn)題，并給出了禁忌搜索算法的 求解方法。國(guó)防科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校的研究人員分別建立了無(wú)人機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī) 劃模型，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方法。但是，上述研究中對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行的約束條件和規(guī)劃 任務(wù)目標(biāo)均進(jìn)行了簡(jiǎn)約化處理，回避了真實(shí)問(wèn)題的復(fù)雜性，造成方法的適用性和有效性下 降，另外從理論上對(duì)協(xié)作任務(wù)進(jìn)行建模和分析，缺少對(duì)協(xié)同任務(wù)中不確定性的分析。在無(wú)人 機(jī)實(shí)際的任務(wù)執(zhí)行中，受到氣象條件、無(wú)人機(jī)飛行控制條件等因素影響，多架無(wú)人機(jī)的時(shí)空 協(xié)同存在不確定性，即很難做到多架無(wú)人機(jī)的時(shí)間與空間完全同步，因此給多架無(wú)人機(jī)編 隊(duì)控制以及緊耦合任務(wù)執(zhí)行帶來(lái)非常大的難度，也成為多無(wú)人機(jī)任務(wù)協(xié)同的難點(diǎn)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種用于雙無(wú)人機(jī)協(xié)同的時(shí)空同步匹配方 法，能夠消解雙無(wú)人機(jī)到達(dá)航跡段節(jié)點(diǎn)的時(shí)間偏差和航跡沖突，在盡可能短的時(shí)間間隔內(nèi) 同時(shí)到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，為雙無(wú)人機(jī)編隊(duì)控制和具有強(qiáng)空間約束要求的雙無(wú)人機(jī)緊耦合任務(wù)執(zhí)行 提供時(shí)空同步手段。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0006] 一種用于雙無(wú)人機(jī)協(xié)同的時(shí)空同步匹配方法，所述雙無(wú)人機(jī)包括無(wú)人機(jī)UAV-A和 無(wú)人機(jī)UAV-B，其特征在于，定義無(wú)人機(jī)航跡段（Ti，T i+1)對(duì)應(yīng)的雙無(wú)人機(jī)協(xié)同代價(jià)函數(shù)：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于雙無(wú)人機(jī)協(xié)同的時(shí)空同步匹配方法，所述雙無(wú)人機(jī)包括無(wú)人機(jī)UAV-A和 無(wú)人機(jī)UAV-B，其特征在于，定義無(wú)人機(jī)航跡段（T iJw)對(duì)應(yīng)的雙無(wú)人機(jī)協(xié)同代價(jià)函數(shù)：
為協(xié)同代價(jià)，Ti為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，T i+1為擴(kuò)展 節(jié)點(diǎn)；Cp，p = 1，2,…，7為當(dāng)前航跡段（Ti, Ti+1)的最小航跡代價(jià)函數(shù)，λ p，p = 1，2,…，7為 各最小航跡代價(jià)函數(shù)對(duì)應(yīng)的代價(jià)系數(shù)，L(I^IV1)為當(dāng)前航跡段（Ti, Ti+1)的協(xié)同航程代價(jià)函 數(shù)，α為協(xié)同航程代價(jià)的代價(jià)系數(shù)； 用于雙無(wú)人機(jī)協(xié)同的時(shí)空同步匹配方法的具體步驟如下： (1) 獲取無(wú)人機(jī)UAV-A的航跡段起點(diǎn)A1、終點(diǎn)Ak以及航跡規(guī)劃所需約束條件，獲取無(wú)人 機(jī)UAV-B的航跡段起點(diǎn)B 1、終點(diǎn)Bk及航跡規(guī)劃所需約束條件，令循環(huán)變量i = 1 ; (2) 計(jì)算無(wú)人機(jī)UAV-A當(dāng)前航跡節(jié)點(diǎn)Ai的可擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)（X1, X2，…，Xn);計(jì)算無(wú)人機(jī)UAV-B 當(dāng)前航跡節(jié)點(diǎn)Bi的可擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)（Y i，Y2，…，Ym); (3) 按照定義的雙無(wú)人機(jī)協(xié)同代價(jià)函數(shù)計(jì)算無(wú)人機(jī)UAV-A當(dāng)前航跡節(jié)點(diǎn)Ai到所有可擴(kuò) 展節(jié)點(diǎn)（X1, X2,…，Xn)的協(xié)同代價(jià) cost (Ai, X1), cost%, X2),......，CosUAi, Xn);選取協(xié)同代 價(jià)最小的可擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)作為無(wú)人機(jī)UAV-A當(dāng)前航跡節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展航跡節(jié)點(diǎn)A i+1;對(duì)應(yīng)的協(xié)同 代價(jià)為cost (Ai, Ai+1),得到無(wú)人機(jī)UAV-A當(dāng)前航跡段為（Ai, Ai+1); 按照定義的雙無(wú)人機(jī)協(xié)同代價(jià)函數(shù)計(jì)算計(jì)算無(wú)人機(jī)UAV-B當(dāng)前航跡節(jié)點(diǎn)&到所有可 擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)（Y1, Y2，…，Ym)的協(xié)同代價(jià)cost (Bi, Y1) ,cost (Bi, Y2),……，Cost(BiJm);選取協(xié)同 代價(jià)最小的可擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)作為無(wú)人機(jī)UAV-B當(dāng)前航跡節(jié)點(diǎn)&的擴(kuò)展航跡節(jié)點(diǎn)B i+1，對(duì)應(yīng)的協(xié) 同代價(jià)為cost (Bi, Bi+1)，得到無(wú)人機(jī)UAV-B當(dāng)前航跡段為（Bi, Bi+1); (4) 判斷無(wú)人機(jī)UAV-A和無(wú)人機(jī)UAV-B當(dāng)前航跡段是否滿足安全距離與非交叉約束條 件，如不滿足安全距離與非交叉約束條件，轉(zhuǎn)入步驟（5);如果滿足安全距離與非交叉約束 條件，轉(zhuǎn)入步驟（6); (5) 比較無(wú)人機(jī)UAV-A當(dāng)前航跡段（Ai, Ai+1)與無(wú)人機(jī)UAV-B當(dāng)前航跡段（Bi, Bi+1)的協(xié) 同代價(jià)大小； 若無(wú)人機(jī)UAV-B當(dāng)前航跡段（Bi, Bi+1)的協(xié)同代價(jià)較大，保留無(wú)人機(jī)UAV-A當(dāng)前航跡節(jié) 點(diǎn)化的擴(kuò)展航跡節(jié)點(diǎn)A i+1，加入無(wú)人機(jī)UAV-A航跡列表；重新選擇協(xié)同代價(jià)次小的無(wú)人機(jī) UAV-B的可擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)作為擴(kuò)展航跡節(jié)點(diǎn)Bi+1，得到無(wú)人機(jī)UAV-B當(dāng)前航跡段為（Bi, Bi+1)，然 后轉(zhuǎn)入步驟（4); 若無(wú)人機(jī)UAV-A當(dāng)前航跡（Ai, Ai+1)的協(xié)同代價(jià)較大，保留無(wú)人機(jī)UAV-B當(dāng)前航跡節(jié)點(diǎn) Bi的擴(kuò)展航跡點(diǎn)B i+1，加入無(wú)人機(jī)UAV-B航跡列表；重新選擇協(xié)同代價(jià)次小的無(wú)人機(jī)UAV-A 的可擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)作為擴(kuò)展航跡節(jié)點(diǎn)Ai+1，得到無(wú)人機(jī)UAV-A當(dāng)前航跡段為（Ai, Ai+1)，轉(zhuǎn)入步驟 (4)； (6) 保留UAV-A當(dāng)前的擴(kuò)展航跡節(jié)點(diǎn)Ai+1，加入U(xiǎn)AV-A航跡列表；保留UAV-B當(dāng)前的擴(kuò) 展航跡節(jié)點(diǎn)B i+1，加入U(xiǎn)AV-B航跡列表；將擴(kuò)展航跡節(jié)點(diǎn)更新為當(dāng)前航跡節(jié)點(diǎn)，即令i增加 1 ; (7) 判斷是否滿足航跡規(guī)劃結(jié)束條件，如不滿足，轉(zhuǎn)入步驟（2);若滿足，則結(jié)束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于雙無(wú)人機(jī)協(xié)同的時(shí)空同步匹配方法，其特征在于， 所述步驟（4)判斷無(wú)人機(jī)UAV-A和無(wú)人機(jī)UAV-B當(dāng)前航跡段是否滿足安全距離與非交叉約 束條件的方法如下： 計(jì)算航跡交叉性參數(shù)R，
計(jì)算航跡安全距離參數(shù)Q，
若R · Q〈〇,則認(rèn)為滿足安全距離與非交叉約束條件，若R · Q >0,則認(rèn)為不滿足安全距 離與非交叉約束條件。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于雙無(wú)人機(jī)協(xié)同的時(shí)空同步匹配方法，其特征在于， 該航跡規(guī)劃結(jié)束條件為到達(dá)航跡段終點(diǎn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于雙無(wú)人機(jī)協(xié)同的時(shí)空同步匹配方法，其特征在于,C1 為最小航跡段長(zhǎng)度代價(jià)： C1= min (I j) lj，j = 1，…，N1為第j個(gè)可選航跡段長(zhǎng)度，N i為可選航跡段個(gè)數(shù)；1I min，Imin為最 小航跡段長(zhǎng)度； C2為最大轉(zhuǎn)彎角代價(jià)：
ai= (Tx i+1_TXi，Tyw-Tyi)T，（Tx iJyi)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)凡投影位置坐標(biāo)，（Tx i+1，Tyi+1)為擴(kuò) 展節(jié)點(diǎn)投影位置坐標(biāo)，I I % I I為矢量％的模；且滿足W為無(wú)人機(jī)最大允 許轉(zhuǎn)彎角；
C3為目標(biāo)進(jìn)入方向代價(jià)： C3= min ( η j) nj，j = 1，···，Ν3為第j個(gè)可選進(jìn)入方向角，N3為可選進(jìn)入方向角的總數(shù)；ηΦ，Φ 為最大允許進(jìn)入方向角。 C4為最大爬升/俯沖角代價(jià)：
Tzi為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)T i高程，Tz i+1為擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)T i+1高程；且滿足 Θ為無(wú) 人機(jī)最大允許俯沖/爬升角； (：5為最長(zhǎng)航程代價(jià)： C5= min (Edj) dj，j = 1，···，N5為從起點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)Ti的第j個(gè)可選航程，N5為可選航程總數(shù)；且滿 足
為最長(zhǎng)航程距離； 〇6為飛行高度代價(jià)： C6= min (H j) Hj, j = 1，…，N6為第j個(gè)可選的最低離地高度，N 6為可選的最低離地高度總數(shù)；且滿 足K Hmax，HminS最低飛行高度限制，Hmax為最高飛行高度限制； C7為距離威脅區(qū)代價(jià)： C7= min (W j) Wj，j = 1，…，N7為第j個(gè)可選的最近威脅區(qū)距離，N7為可選的最近威脅區(qū)距離的總數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于雙無(wú)人機(jī)協(xié)同的時(shí)空同步匹配方法，其特征在于， L(TilTw) = I (LTi+LTi+1)-Lq LTi為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)T i到達(dá)終點(diǎn)的航程，LTi+1為擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)T i+1到達(dá)終點(diǎn)的航程，L q為協(xié)同航 程。 協(xié)同航程Lq根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行航跡維數(shù)的不同采用的公式不同。對(duì)于一維協(xié)同航程，L , =kp HiaxiD1, D2} A1為直線距離系數(shù)，max {D i，D2}為雙無(wú)人機(jī)距離終點(diǎn)的最大直線距離。對(duì) 于二維協(xié)同航程，Lq= k Pmax(DDD2)，1^2為二維歐式距離系數(shù)；max (D1, D2}為雙無(wú)人機(jī)距離 終點(diǎn)的最大二維歐式距離。對(duì)于三維協(xié)同航程，Lq= I^maxiD1, D2}，k3為三維歐式距離系 數(shù)，HiaxiD1, D2}為雙無(wú)人機(jī)距離終點(diǎn)的最大三維歐式距離。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于雙無(wú)人機(jī)協(xié)同的時(shí)空同步匹配方法，其特征在于， 對(duì)于一維協(xié)同航程，Lq= k max他，D2}，Ic1為直線距離系數(shù)，max {D i，D2}為雙無(wú)人機(jī)距離終 點(diǎn)的最大直線距離。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于雙無(wú)人機(jī)協(xié)同的時(shí)空同步匹配方法，其特征在于， 對(duì)于二維協(xié)同航程，Lq= k 2. HiaxiD1, D2}，1^2為二維歐式距離系數(shù)；max {D D2}為雙無(wú)人機(jī)距 離終點(diǎn)的最大二維歐式距離。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于雙無(wú)人機(jī)協(xié)同的時(shí)空同步匹配方法，其特征在于， 對(duì)于三維協(xié)同航程，Lq= k 3. HiaxiD1, D2}，1^3為三維歐式距離系數(shù)，max {D D2}為雙無(wú)人機(jī)距 離終點(diǎn)的最大三維歐式距離。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于雙無(wú)人機(jī)協(xié)同的時(shí)空同步匹配方法，其特征在于， 所述無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃所需約束條件包括無(wú)人機(jī)最小航跡段長(zhǎng)度I min、最大允許轉(zhuǎn)彎角P、最 大允許俯沖/爬升角Θ、最長(zhǎng)航跡距離Dmzx、最低飛行高度限制H min、最高飛行高度限制Hmax 和飛行安全距離Ds。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于雙無(wú)人機(jī)協(xié)同的時(shí)空同步匹配方法，按照定義的雙無(wú)人機(jī)協(xié)同代價(jià)函數(shù)計(jì)算每個(gè)無(wú)人機(jī)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到所有可擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的協(xié)同代價(jià)，選取協(xié)同代價(jià)最小的可擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)作為擴(kuò)展航跡節(jié)點(diǎn)，得到雙無(wú)人機(jī)當(dāng)前航跡段。本發(fā)明的雙無(wú)人機(jī)協(xié)同代價(jià)函數(shù)彌補(bǔ)了現(xiàn)有方法中代價(jià)函數(shù)僅考慮單個(gè)無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃約束條件的不足，使得航跡點(diǎn)生成過(guò)程加入了雙無(wú)人機(jī)的同步，更接近真實(shí)過(guò)程。本發(fā)明將雙無(wú)人機(jī)各自的航跡劃分為航跡段，將時(shí)間協(xié)同轉(zhuǎn)化為航跡代價(jià)嵌入到單個(gè)無(wú)人機(jī)航跡段規(guī)劃的代價(jià)函數(shù)中，實(shí)現(xiàn)了雙無(wú)人機(jī)到達(dá)航跡段節(jié)點(diǎn)的時(shí)間偏差和航跡沖突消解，解決了現(xiàn)有技術(shù)中航跡規(guī)劃與任務(wù)協(xié)同相分離，不考慮時(shí)空同步對(duì)航跡規(guī)劃的影響等問(wèn)題。
【IPC分類】G05D1-10
【公開號(hào)】CN104536454
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410743000
【發(fā)明人】閻巖, 孫崢皓, 張堯, 楊玉生, 朱長(zhǎng)明, 楊利民, 岑小鋒, 鄧志均, 李一帆
【申請(qǐng)人】中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院
【公開日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月5日