异构多无人机系统协同察打任务自组织方法技术方案

本发明专利技术公开了一种异构多无人机系统协同察打任务自组织方法。本发明专利技术将异构多无人机系统分解为两个同构的子系统，并设计了两个子系统之间相应的协作方式，两个子系统分别进行任务规划并进行相互协作。本发明专利技术进一步针对分解后的同构侦察型无人机系统和同构察打型无人机系统，分别设计了协同搜索任务自组织方法和协同察打自主任务规划方法。协同搜索任务自组织方法采用基于分布式模型预测控制的方法进行问题分解，然后运用粒子群算法进行求解。协同察打自主任务规划方法基于分布式的蚁群算法，在每架无人机本地问题的构建过程中，设计了没有探测到威胁情况下的正常飞行模式以及探测到威胁时的躲避威胁模式，可以更好的适应在线要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多无人机系统任务规划方法，尤其涉及一种异构多无人机系统协同察打任务自组织方法。
技术介绍
无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)是一种不承载驾驶员、可以进行遥控或自主飞行的无人驾驶航空器。与有人机相比，UAV除了在速度、尺寸和机动性等方面的优势外，更具有无人员伤亡、全寿命周期成本低、持续作战和抗压作战能力强等特点。随着UAV的发展，在未来五年左右，UAV将活跃于空中压制和打击作战中。美国空军研究实验室根据OODA(Observe-Orient-Decide-Act)模型将无人机自主控制能力分为10个等级：遥引导、实时故障诊断、故障自修复和飞行环境自适应、机载航路重规划、多级协调、多机战术重规划、多机战术目标、分布式控制、机载战略目标、全自主集群。随着自主级别的提高，相应的无人机自主能力越强，具有更高的自适应性、智能性和复杂性，所能完成的任务规模、作用范围也逐渐扩大，并逐步从战术层次上升到战略层次。UAV系统的自主能力经历了一个由低到高不断发展的过程，无论军用还是民用，无人机发展的必由之路是集群化，多UAV协同作战是未来UAV作战方式的重要发展趋势。目前多无人机的协同飞行属于一个新的研究领域，要应用于实际飞行中，还需要解决很多问题，如分布式控制问题、防碰避障问题等。其中任务规划是无人机自主控制领域一个重要的模块，涵盖了分布式控制问题和防碰避障问题等，为每架无人机生成合适的任务执行序列以及执行时间，随着无人机自主控制等级的提升，要求配备的任务规划模块具有较强的自适应性，能够应对外部环境、任务的动态变化以及多无人机系统内部无人机的损坏退出以及新成员的加入等情况。任务规划，尤其是多无人机复杂环境下的协同任务规划融合了数学建模、模型优化等理论知识，是一个多目标强耦合多约束的优化问题，求解过程较为复杂，并且会随着多无人机系统规模的增加求解难度指数增加。美国研制的主要用来验证无人作战飞机关键技术可行性的X-45A无人机，已经完成了实时动态任务规划的飞行验证，成功规避模拟的突发威胁。而对于多机的任务规划问题，到目前为止仍然是一项挑战性的技术难题，也是提升无人机自主水平亟待解决的关键技术之一，对提高无人机的生存率和任务完成率具有重要意义。目前，针对任务规划，较常用的研究思路主要包括自顶向下和自底向上。自顶向下主要基于分层递阶求解的思路，已成为主流方法，可以有效地降低问题求解难度。自底向上主要基于自组织方法，强调个体对环境的感知、判断、决策和动态反应，以及多个个体之间基于规则的行为协调。尽管分层递阶结构的分解策略能够有效降低问题的求解难度和复杂性，但不得不面临“主问题分解—子问题建模—子问题求解—子问题协调”一系列复杂的求解流程。当战场环境敌我态势发生动态变化时，这类方法将消耗更多的计算代价和通信代价。基于自组织的自底向上的方法，更加强调个体对环境的动态响应，目前基于多群体智能理论的自组织方法通过模拟蜂群、蚁群、鸟群、鱼群等生物群体的行为实现多无人机自组织，具有计算简单、鲁棒性好等优点。由于每架无人机携带的装备有限，为了更大发挥每架无人机的性能，在一个多无人机构成的编队里，往往会存在具有不同功能的无人机，通过无人机之间的合作，完成复杂任务。然而，目前以侦察型和察打型无人机所组成的异构多无人机系统为研究对象的任务自主规划方法还很罕见。一篇中国专利(公开号为105302153A，公开日为2016-2-3)公开了一种“异构多无人机协同察打任务的规划方法”，该方法利用异构多种群蚁群算法求解任务规划模型，可以解决复杂约束条件下的多无人机多任务分配问题，但是该方法是针对离线情况的整体任务规划，对于动态环境的适应性不强。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种异构多无人机系统协同察打任务自组织方法，可在提高系统中无人机的自主水平的同时，有效提高异构多无人机系统对重点区域内的目标搜索和打击能力。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：异构多无人机系统协同察打任务自组织方法，所述异构多无人机系统包括多架参数相同的侦察型无人机和多架参数相同的察打型无人机；侦察型无人机负责环境的搜索，确定目标；察打型无人机主要负责打击侦察确定之后的目标，其余时间辅助侦察型无人机执行搜索任务，并将发现的可能存在的目标发送给侦察型无人机以待进一步确认；侦察型无人机对察打型无人机的信息支持包括自身位置信息和目标信息，其中位置信息通信发生在侦察型无人机的每次决策后，目标信息通信发生在侦察型无人机确认到目标时；在察打型无人机未接到打击任务时，配合侦察型无人机进行搜索任务，并将发现的目标信息发送给侦察型无人机；当侦察型无人机和察打型无人机之间的距离小于安全距离时，察打型无人机机动避开侦察型无人机；所述任务自组织方法包括以下步骤：步骤1、将所述异构多无人机系统分解成一个同构的侦察型无人机系统和一个同构的察打型无人机系统；步骤2、所述侦察型无人机系统利用协同搜索任务自组织方法进行系统中各侦察型无人机的初步任务规划；所述察打型无人机系统利用协同察打自主任务规划方法进行系统中各察打型无人机的初步任务规划；步骤3、侦察型无人机和察打型无人机根据各自的初步任务规划，按照以下方法进行协同：(1)侦察型无人机1：侦察型无人机根据规划结果前进一个步长；2：侦察型无人机对周围环境进行搜索，如果确认目标，将目标信息发送给察打型无人机；3：侦察型无人机更新对环境的认知信息；4：侦察型无人机将当前位置信息发送给察打型无人机；5：判断侦察型无人机任务是否结束，否，则转到1，重复执行1-5，直到任务结束；(2)察打型无人机1：察打型无人机根据目标信息和自身位置信息决策执行打击任务还是搜索任务，如果察打型无人机接收到目标被确认的信息，则根据目标价值及目标距离判断是否执行对该目标的打击任务，如是，则继续执行2，否则执行辅助搜索任务，转到3；2：察打型无人机向目标位置移动并执行打击任务；3：察打型无人机继续进行转移，并对周围环境进行搜索，如果发现目标，将目标信息发送给侦察型无人机；4：判断察打型无人机任务是否结束，否，则转到1，重复执行1-4，直到任务结束。优选地，所述协同搜索任务自组织方法具体如下：步骤1、根据侦察型无人机系统的当前状态对未来多个阶段的输入进行预测，并根据预测输入以及运动模型计算未来多个阶段的侦察型无人机系统的状态；步骤2、以综合优化指标函数最大为优化目标，优化求解侦察型无人机系统最优的决策输入序列，然后把决策序列的第一项输入到侦察型无人机系统中；所述综合优化指标函数具体如下：J(X(k),U(k))＝ω1Jt+ω2Je其中，X(k)、U(k)分别表示侦察型无人机系统的状态和决策输入；ω1、ω2是权重系数；为在当前k时刻决策输入下无人机转移到下一位置期间发现目标的可能性，是第i架侦察型无人机掌握的目标存在概率值，(m,n)表示任务区域所离散化栅格中的任意一个，Si为侦察型无人机的探测范围，NV为所述侦察型无人机系统中的无人机总数；表示整个任务区域内信息确定度的增量，R表示整个任务区域，是第i架无人机掌握的信息确定度，xmn(k)的更新公式如下：ε表示衰减因子，表征动态环境；步骤3、根据决策输入的下一时刻的目本文档来自技高网...

【技术保护点】
异构多无人机系统协同察打任务自组织方法，其特征在于，所述异构多无人机系统包括多架参数相同的侦察型无人机和多架参数相同的察打型无人机；侦察型无人机负责环境的搜索，确定目标；察打型无人机主要负责打击侦察确定之后的目标，其余时间辅助侦察型无人机执行搜索任务，并将发现的目标发送给侦察型无人机以待进一步确认；侦察型无人机对察打型无人机的信息支持包括自身位置信息和目标信息，其中位置信息通信发生在侦察型无人机的每次决策后，目标信息通信发生在侦察型无人机确认到目标时；在察打型无人机未接到打击任务时，配合侦察型无人机进行搜索任务，并将发现的目标信息发送给侦察型无人机；当侦察型无人机和察打型无人机之间的距离小于安全距离时，察打型无人机机动避开侦察型无人机；所述任务自组织方法包括以下步骤：步骤1、将所述异构多无人机系统分解成一个同构的侦察型无人机系统和一个同构的察打型无人机系统；步骤2、所述侦察型无人机系统利用协同搜索任务自组织方法进行系统中各侦察型无人机的初步任务规划；所述察打型无人机系统利用协同察打自主任务规划方法进行系统中各察打型无人机的初步任务规划；步骤3、侦察型无人机和察打型无人机根据各自的初步任务规划，按照以下方法进行协同：(1)侦察型无人机1：侦察型无人机根据规划结果前进一个步长；2：侦察型无人机对周围环境进行搜索，如果确认目标，将目标信息发送给察打型无人机；3：侦察型无人机更新对环境的认知信息；4：侦察型无人机将当前位置信息发送给察打型无人机；5：判断侦察型无人机任务是否结束，否，则转到1，重复执行1‑5，直到任务结束；(2)察打型无人机1：察打型无人机根据目标信息和自身位置信息决策执行打击任务还是搜索任务，如果察打型无人机接收到目标被确认的信息，则根据目标价值及目标距离判断是否执行对该目标的打击任务，如是，则继续执行2，否则执行辅助搜索任 务，转到3；2：察打型无人机向目标位置移动并执行打击任务；3：察打型无人机继续进行转移，并对周围环境进行搜索，如果发现目标，将目标信息发送给侦察型无人机；4：判断察打型无人机任务是否结束，否，则转到1，重复执行1‑4，直到任务结束。...

【技术特征摘要】
1.异构多无人机系统协同察打任务自组织方法，其特征在于，所述异构多无人机系统包括多架参数相同的侦察型无人机和多架参数相同的察打型无人机；侦察型无人机负责环境的搜索，确定目标；察打型无人机主要负责打击侦察确定之后的目标，其余时间辅助侦察型无人机执行搜索任务，并将发现的目标发送给侦察型无人机以待进一步确认；侦察型无人机对察打型无人机的信息支持包括自身位置信息和目标信息，其中位置信息通信发生在侦察型无人机的每次决策后，目标信息通信发生在侦察型无人机确认到目标时；在察打型无人机未接到打击任务时，配合侦察型无人机进行搜索任务，并将发现的目标信息发送给侦察型无人机；当侦察型无人机和察打型无人机之间的距离小于安全距离时，察打型无人机机动避开侦察型无人机；所述任务自组织方法包括以下步骤：步骤1、将所述异构多无人机系统分解成一个同构的侦察型无人机系统和一个同构的察打型无人机系统；步骤2、所述侦察型无人机系统利用协同搜索任务自组织方法进行系统中各侦察型无人机的初步任务规划；所述察打型无人机系统利用协同察打自主任务规划方法进行系统中各察打型无人机的初步任务规划；步骤3、侦察型无人机和察打型无人机根据各自的初步任务规划，按照以下方法进行协同：(1)侦察型无人机1：侦察型无人机根据规划结果前进一个步长；2：侦察型无人机对周围环境进行搜索，如果确认目标，将目标信息发送给察打型无人机；3：侦察型无人机更新对环境的认知信息；4：侦察型无人机将当前位置信息发送给察打型无人机；5：判断侦察型无人机任务是否结束，否，则转到1，重复执行1-5，直到任务结束；(2)察打型无人机1：察打型无人机根据目标信息和自身位置信息决策执行打击任务还是搜索任务，如果察打型无人机接收到目标被确认的信息，则根据目标价值及目标距离判断是否执行对该目标的打击任务，如是，则继续执行2，否则执行辅助搜索任 务，转到3；2：察打型无人机向目标位置移动并执行打击任务；3：察打型无人机继续进行转移，并对周围环境进行搜索，如果发现目标，将目标信息发送给侦察型无人机；4：判断察打型无人机任务是否结束，否，则转到1，重复执行1-4，直到任务结束。2.如权利要求1所述异构多无人机系统协同察打任务自组织方法，其特征在于，所述协同搜索任务自组织方法具体如下：步骤1、根据侦察型无人机系统的当前状态对未来多个阶段的输入进行预测，并根据预测输入以及运动模型计算未来多个阶段的侦察型无人机系统的状态；步骤2、以综合优化指标函数最大为优化目标，优化求解侦察型无人机系统最优的决策输入序列，然后把决策序列的第一项输入到侦察型无人机系统中；所述综合优化指标函数具体如下：J(X(k),U(k))＝ω1Jt+ω2Je其中，X(k)、U(k)分别表示侦察型无人机系统的状态和决策输入；ω1、ω2是权重系数；为在当前k时刻决策输入下无人机转移到下一位置期间发现目标的可能性，是第i架侦察型无人机掌握的目标存在概率值，(m,n)表示任务区域所离散化栅格中的任意一个，Si为侦察型无人机的探测范围，NV为...

【专利技术属性】
技术研发人员：郜晨，甄子洋，龚华军，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32