基于信息共享的低能耗多無人機協(xié)同偵察方法

劉澤原，趙文棟，李艾靜，劉存濤

(陸軍工程大學通信工程學院，江蘇南京210000)

1 引言

當前，由于無人機的高機動性、靈活控制性和經(jīng)濟性等優(yōu)勢，無人機偵察在搶險救災、邊境巡查敵情獲取、戰(zhàn)場態(tài)勢感知等民用和軍用領(lǐng)域均得到了廣泛應用。其一般過程如下：用戶基于自身對偵察目標的信息需求，向無人機基地發(fā)送偵察服務請求；基地響應用戶的請求并派遣無人機前往偵察區(qū)域?qū)ο鄳繕藢嵤﹤刹欤粺o人機獲取偵察信息后，將其直接或間接地回傳至無人機基地；而后由無人機基地將獲取的偵察信息分發(fā)給對應的用戶[1，2]。目前，針對無人機偵察的研究大多數(shù)集中在多無人機服務于單用戶的情況[3-7]，且無人機不直接參與偵察信息的分發(fā)任務。

在實際應用過程中，當無人機基地與用戶之間的信道條件較差而無法實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸時，采用DF(Data ferry)機制讓無人機直接參與到信息分發(fā)任務中不失為一個好的選擇。此時，如果無人機基地同時處理多個用戶的偵察服務請求，且不同用戶的信息需求存在重疊時，基于各用戶請求單獨進行任務分配必然存在服務于不同用戶的無人機重復訪問同一偵察點的情況?；诙嘤脩舻男枨蠛霞M行統(tǒng)一的任務分配，則會存在一架無人機獲取到多個用戶的需求信息的情況，從而在信息分發(fā)時造成多無人機對同一用戶的重復訪問。

本文提出了一種基于信息共享的多無人機協(xié)同偵察方法(Information Sharing based Cooperative Reconnaissance，ISCR)，采用集中式信息共享機制實現(xiàn)無人機信息獲取和信息交付的有機銜接：在信息獲取階段，采用基于多用戶需求聚合的任務分配策略實現(xiàn)對多個偵察任務的統(tǒng)一分配，避免多無人機對同一目標的重復偵察；在信息共享階段，采用單用戶需求驅(qū)動的信息共享策略實現(xiàn)各個無人機偵察信息的補全，以使得各個無人機獲取其服務用戶所需的完整的偵察信息；在信息交付階段，實現(xiàn)無人機與用戶之間一對一的信息分發(fā)，避免多無人機對同一用戶的重復訪問。將上述問題建模為帶約束的無人機路徑規(guī)劃問題，并基于改進的遺傳算法提出了一種低能耗的IETP(Information Exchange based Trajectory Planning)算法，對服務不同用戶的無人機進行協(xié)同路徑規(guī)劃。

2 相關(guān)工作

通過任務規(guī)劃節(jié)省無人機能耗方面，當前工作主要集中在單用戶下的任務規(guī)劃[3-7]，缺少對多用戶任務規(guī)劃的研究。文獻[3]構(gòu)建了一個多無人機協(xié)同偵察的場景，在同時考慮飛行能耗和懸停能耗的情況下對各無人機進行了任務分配和路徑規(guī)劃，但其只把基地當作唯一用戶，而沒有考慮基地為多個用戶服務的情況。文獻[4]考慮了無人機在目標區(qū)域內(nèi)的停留時間對獲取的偵察信息大小的影響，研究了無人機能耗與收益平衡的問題。文獻[5]中利用地面?zhèn)鞲衅魈崆笆占瘋刹煨畔?，無人機則通過傳感器獲取相應信息，降低了其在目標區(qū)域獲取信息的時間及對應的懸停能耗。同時學者還對無人機具有一定偵察范圍[6]以及各無人機飛行速度和起飛時間不同[7]等情況下的任務規(guī)劃問題進行了研究，但這些研究同樣都只局限在滿足單一用戶的需求，多用戶下的無人機任務規(guī)劃仍有待研究。

在多目標任務規(guī)劃方面，文獻[8]研究了無人機的協(xié)同合作問題，綜合考慮無人機任務類型的重疊互補關(guān)系，使無人機根據(jù)任務屬性形成相應的群組執(zhí)行任務。文獻[9]在無人機提供信息傳遞的場景中考慮了不同用戶的服務質(zhì)量需求并對無人機進行任務分配。文獻[10]考慮了多無人機協(xié)同偵察決策問題，在多目標約束下平衡多任務區(qū)間的偵察收益。文獻[11]提出了一種事件驅(qū)動的無人機數(shù)據(jù)采集方法，使無人機能夠處理多目標任務，最大化收集的總信息價值。然而在多用戶信息偵察的場景中，都沒有綜合考慮信息獲取和分發(fā)多用戶信息的過程。

3 系統(tǒng)模型與問題建模

3.1 系統(tǒng)模型

如圖1所示，假設(shè)基地附近存在多個用戶，基地中?？慷嗉軣o人機為用戶提供服務，同時在目標區(qū)域中的每個偵察點放置一個傳感器為無人機提供偵察信息。無人機、傳感器和用戶分別表示為：U={u1，ui，…，um}，S={s1，sk，…，sr}和B={b1，bj，…，bn}。當前考慮無人機數(shù)量較少的情況，假設(shè)無人機數(shù)量小于用戶數(shù)量。用Cj={sj(1)，sj(2)，…，sj(k)}表示當前聯(lián)合規(guī)劃中的用戶bj需要集合內(nèi)傳感器的所有信息。首先，無人機從基地出發(fā)對被分配的目標進行偵察，隨后前往信息共享位置共享信息。進行信息共享的無人機得到其服務用戶需要的完整信息，最后各無人機前往所服務的用戶附近分發(fā)信息。

圖1 ISCR偵察過程示意圖

3.2 ISCR過程

(1)

(2)

同時，當無人機共享信息時，只能向其它無人機傳輸其已經(jīng)采集的信息，其約束條件表示為

(3)

(4)

(5)

3.3 問題建模

無人機路徑規(guī)劃的優(yōu)化目標是在用戶能夠獲得需求信息集合內(nèi)的所有信息前提下，使無人機系統(tǒng)總能耗最小。無人機系統(tǒng)能耗主要由飛行能耗和懸停能耗組成，通信能耗相較飛行和懸停能耗過小，因而忽略。假設(shè)無人機以恒定速度v飛行，約束如式(6)所示

(6)

(7)

Li為ui的最終飛行長度，Pf(v)表示旋翼無人機推進功率，可以表示為[12]

(8)

其中P0和Pi分別表示懸停狀態(tài)下的葉型功率和誘導功率，Utip為旋翼的葉邊速度，v0為懸停狀態(tài)下旋翼的誘導速度。d0為機身阻力比，s為轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性。ρ和A分別表示空氣密度和旋翼旋轉(zhuǎn)的面積。同時，懸停功率表示為：

Ph=P0+Pi

(9)

無人機懸停能耗取決于無人機的懸停時間和懸停功率。在信息獲取階段，無人機懸停能耗來自于采集傳感器信息的過程，假設(shè)傳感器以恒定速率R傳輸信息，傳感器sk的信息量大小為Nk，則無人機在傳感器sk處的懸停能耗表示

(10)

無人機在信息共享階段，無人機懸停能耗來自于信息共享過程，假設(shè)調(diào)整各無人機出發(fā)時間，以保證其在同一時間到達信息共享區(qū)域，則無人機在信息共享點的懸停時間由接收信息大小和發(fā)送信息大小決定，則其在信息共享點的懸停能耗表示為

(11)

(12)

無人機i的總能耗為

(13)

綜上，本問題為采集信息共享機制情況下對多無人機進行路徑規(guī)劃，使得無人機系統(tǒng)總能耗最小，形式化描述為式(14)

(14)

4 IETP算法描述

多無人機的路徑規(guī)劃可以轉(zhuǎn)化為每個無人機分配需要訪問的偵察目標和所服務的用戶，即規(guī)劃函數(shù)f，χ和g，隨后根據(jù)每架無人機需要訪問的目標點并確定組合順序。在該路徑規(guī)劃問題中，目標分配問題和組合順序優(yōu)化問題兩者相互耦合，極大增加了求解的復雜度，其類似于同樣作為NP-hard問題的旅行商問題[13]或車輛路由問題[14]，難以求出最優(yōu)解或需要耗費大量時間進行求解。對于已確定所分配的目標點的情況下的組合優(yōu)化問題，通常運用遺傳算法[15]等啟發(fā)式算法進行求解，其能夠在規(guī)定的迭代次數(shù)內(nèi)得出次優(yōu)解。而整數(shù)拆分方法則是一種可以遍歷對各無人機可能的目標分配方案的數(shù)學方法。本文提出啟發(fā)式算法IETP，將遺傳算法與整數(shù)拆分相結(jié)合，并更改遺傳算法中適應度函數(shù)值的計算方式，在多次迭代后尋找最佳路徑。下面簡單介紹遺傳算法和整數(shù)拆分，并對IETP算法細節(jié)進行詳細介紹。

4.1 整數(shù)拆分

整數(shù)拆分方法將一個正整數(shù)用多個整數(shù)之和表示，IETP算法中，采集樹的形式表示整數(shù)拆分結(jié)果。在拆分樹中，層級0為虛擬層，僅代表根節(jié)點，且對于i，j(i>j)，層級i的值不小于層級j的值，層級中的一個整數(shù)值表示一架無人訪問偵察點的數(shù)量，同時拆分過程不考慮拆分順序以避免出現(xiàn)重復結(jié)果。假設(shè)3架無人機總共需要訪問5個目標，則如圖4所示，其共有5種拆分方案。根據(jù)整數(shù)拆分方案，按順序?qū)⒁粭l個體拆分為各無人機的子路徑。例如，根據(jù)第4種拆分方案M4={1，1，3}，則無人機1需要訪問一個目標點，無人機2訪問一個目標點，無人機3訪問三個目標點。

圖2 整數(shù)拆分示意圖

4.2 改進遺傳算法

遺傳算法是依靠染色體編碼和變異原理衍生出的進化算法，得出其具體操作包括染色體編碼、種群初始化、染色體選擇、并使用遺傳算子產(chǎn)生新的個體。多個遺傳個體構(gòu)成一個遺傳種群，其中個體表示一條遍歷所有偵察目標和用戶的完整組合順序，個體中的一個染色體代表一個偵察點或用戶。利用整數(shù)拆分方法拆分遺傳個體，每個拆分方案可以將遺傳個體拆分為多個染色體片段，每個片段表示一架無人機被分配的訪問點及對應的訪問順序。能夠滿足第3節(jié)中無人機偵察服務約束的拆分方案為正確的拆分方案，不能夠滿足偵察約束的拆分方案為錯誤的拆分方案。

圖3 遺傳個體拆分示意圖

如圖3所示，1-5號染色體為偵察目標，6-7號染色體為用戶，按照拆分方案(1)對遺傳個體(2，4，6，3，8，1，5，7)進行拆分并獲得三個染色體片段，片段1代表無人機1依次訪問染色體2，4，6代表的訪問點，表示無人機偵察目標點2，4并為用戶6傳遞信息。無人機2偵察目標3并為用戶8提供信息，無人機3偵察1，5并為用戶7提供信息。無人機根據(jù)訪問偵察目標情況及其所服務用戶需求情況確定無人機之間的信息共享關(guān)系，以補足所服務用戶需求的所有信息。按照拆分方案(2)對遺傳個體拆分獲得染色體片段(2，4)，(6，4，8，1)以及(5，7)，按照此訪問順序無人機在訪問用戶6和8時無法為其提供需要的所有信息，則該拆分方案為錯誤拆分方案。

遺傳算法通過遺傳算子對種群中的遺傳個體進行遺傳操作，遺傳個體完整保留的概率取決于該個體的適應度函數(shù)值。在IETP算法中遺傳個體中使無人機系統(tǒng)總能耗最小的正確拆分方案作為該個體的最優(yōu)拆分方案，最小能耗值為該遺傳個體的適應度函數(shù)值。遺傳算法是一個非常成熟的技術(shù)，這里不再對如何進行遺傳操作詳細介紹。

4.3 IETP算法步驟

IETP算法將整數(shù)拆分和遺傳算法相結(jié)合，首先根據(jù)任務池內(nèi)所有用戶信息需求的并集得出需要訪問的偵察點集合S，根據(jù)集合S隨機生成多個初始遺傳個體組成初始遺傳種群，確定每個個體的適應度函數(shù)值，并通過不斷進行遺傳迭代，達到最大迭代次數(shù)后，跟遺傳種群中的適應度函數(shù)值最小的遺傳個體及其最優(yōu)拆分方案確定各無人機被分配的偵察目標及訪問順序，聯(lián)合其對應的信息共享點和服務用戶確定無人機飛行路徑。IETP算法具體步驟總結(jié)如下：

1)確定偵察點集合S，并根據(jù)集合中的偵察點中生成包含N個遺傳個體的遺傳種群，確定最大迭代次數(shù)iter。

2)對每個遺傳個體進行整數(shù)拆分，根據(jù)每個拆分方案為各無人機分配偵察目標和用戶以及相應的訪問順序，同時確定無人機之間的信息共享關(guān)系。

3)根據(jù)式(13)計算每個遺傳個體的每個成功拆分方案所產(chǎn)生的無人機系統(tǒng)總能耗，并判斷出各遺傳個體的適應度函數(shù)值。

4)判斷是否達到最大迭代次數(shù)，達到最大迭代次數(shù)進入步驟5)，否則對種群中的遺傳個體進行遺傳操作，生成新的種群，重復步驟2)。

5)選出該種群中的適應度函數(shù)值最小的個體，并將其最優(yōu)拆分方案結(jié)果作為無人機路徑規(guī)劃結(jié)果。

5 仿真結(jié)果及分析

5.1 仿真設(shè)置

為驗證ISCR方法及對應的IETP算法的有效性，采用MATLAB軟件進行仿真，假設(shè)傳感器隨機分布在5km x 5km偵察區(qū)域內(nèi)，默認傳感器數(shù)量為25。默認基地需要同時處理3個用戶的偵察請求，每個用戶的需求信息集隨機生成。由于用戶之間可能存在相同的信息需求，用Ior表示用戶信息重合率，代表重合的信息需求占用戶總信息需求的比例，默認值為30%。無人機基地的坐標為(0，0，0)，能耗模型參數(shù)參考引用文獻[3][12]進行設(shè)置，具體參數(shù)如表1所示。將針對用戶請求單獨進行任務規(guī)劃的方法統(tǒng)一稱為PSTP(Plan Separate Trajectory Plan)，將其作為ISCR的對比方法，并利用遺傳算求解PSTP方法中的無人機路徑。圖4-圖7為路徑規(guī)劃結(jié)果的能耗對比圖。

表1 仿真參數(shù)

5.2 仿真分析

5.2.1 單架無人機能耗對比

圖4表示了在默認參數(shù)設(shè)置下，PSTP方法和ISCR方法中的每架無人機能耗對比?？梢钥闯?，與PSTP相比，ISCR中每架無人機能耗更低，但是其較大的無人機在滿足用戶時效需求方面表現(xiàn)較差，因為其在承擔自己用戶偵察任務的同時，又過多的承擔了其他用戶的偵察任務，因而IETP算法不適用于對信息時效性要求較高的場景。

圖4 無人機單獨能耗對比

另一方面，在PSTP中，每架無人機訪問的偵察點由所服務用戶的信息需求決定，存在偵察點被重復偵察的問題，而在ISCR模型中，各用戶的信息需求被合并成一個總的信息需求，并采集系統(tǒng)總能耗最小的方案將偵察點分配給各無人機，因而與PSTP相比，ISCR中每架無人機的能耗更小。

5.2.2 傳感器數(shù)目的影響

在默認參數(shù)下，用戶信息集內(nèi)傳感器數(shù)量以固定比例隨偵察區(qū)域內(nèi)傳感器數(shù)量變化，則無人機系統(tǒng)能耗隨偵察區(qū)域內(nèi)傳感器數(shù)量變化的趨勢如圖5所示，與PSTP相比，ISCR中的系統(tǒng)總能耗降低了24%-28%。

圖5 無人機系統(tǒng)總能耗與傳感器數(shù)量關(guān)系

這是由于無人機之間通過信息共享的方式建立了一種協(xié)作能力，將距離其大部分偵察點遠的傳感器交由其它無人機訪問，進而減少無人機總的飛行路徑。特別的，當用戶信息集相交時，通過信息共享方式可以使被重復需要的偵察信息僅被采集。

5.2.3 用戶數(shù)量的影響

無人機系統(tǒng)能耗隨用戶數(shù)量變化的趨勢如圖6所示。在給定用戶數(shù)量變化的范圍內(nèi)，與PSTP相比，ISCR中系統(tǒng)總能耗降低了7%-36%，且隨著用戶數(shù)量增加，ISCR的優(yōu)勢更加明顯。這是由于隨著用戶數(shù)量增加，PSTP中無人機系統(tǒng)需要訪問的傳感器總數(shù)增加，同時無人機往返于目標區(qū)域和用戶之間的總距離增加，因而無人機系統(tǒng)總能耗增加。而ISCR中，由于信息共享方式存在，無人機系統(tǒng)需要訪問的傳感器總數(shù)不變，僅無人機往返于目標區(qū)域于用戶之間總距離增加，因而總能耗增加緩慢。

圖6 無人機系統(tǒng)總能耗與用戶數(shù)量關(guān)系

5.2.5 信息需求重合率影響

無人機系統(tǒng)總能耗隨Ior變化如圖7所示，相比ISCR方法，PSTP中系統(tǒng)總能耗隨著Ior增大而更快的增長。這是由于當Ior增大時，PSTP中無人機系統(tǒng)冗余訪問的偵察點增多，系統(tǒng)的運動和懸停能耗增大，而在ISCR模型中，無人機系統(tǒng)避免了對偵察點的冗余訪問，隨著Ior增大，僅無人機在信息交付階段的懸停和通信能耗增加，增加的能耗遠小于PSTP中增加的運動和懸停能耗，因而 ISCR中系統(tǒng)總能耗增長較緩慢。

圖7 無人機系統(tǒng)總能耗與關(guān)系

6 結(jié)束語

為了解決多用戶無人機協(xié)同偵察中的多目標點重復偵察問題以及多用戶重復訪問問題，提出一種基于信息共享機制的協(xié)同偵察方法ISCR，隨后以無人機系統(tǒng)總能耗最小為優(yōu)化目標，提出一種啟發(fā)式算法IETP對服務不同用戶的無人機進行路徑規(guī)劃。相比于針對單用戶需求驅(qū)動偵察方法，ISCR偵察方法能夠有效減少無人機系統(tǒng)能耗，且隨著用戶數(shù)量和信息重合率增加，其能耗節(jié)省優(yōu)勢更加明顯，但是不能采集ISCR為用戶獲取具有時間緊迫性的信息，同時該方法可能會使部分無人機承擔較多任務，產(chǎn)生各無人機能耗分布不均勻的情況。下一步工作將尋找無人機存在多個信息共享點并進行多階段信息共享的情況，同時對此方法進行改進，使其能夠為用戶偵察具有時間敏感性的信息。