多無人機(jī)的協(xié)同任務(wù)路線規(guī)劃

沈陽理工大學(xué) 王紅霞 張 朋

多無人機(jī)的協(xié)同任務(wù)路線規(guī)劃

沈陽理工大學(xué) 王紅霞 張 朋

如今,單一的無人機(jī)已滿足不了人們的需求,越來越多的學(xué)者投入到多無人機(jī)協(xié)作領(lǐng)域中來,各國也加入到這場關(guān)于無人機(jī)軍事化應(yīng)用的競賽之中.無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)前,無人機(jī)地面控制系統(tǒng)必須預(yù)先設(shè)定好任務(wù)計劃,并將數(shù)據(jù)發(fā)送到無人機(jī)的飛控計算機(jī)上,接受地面控制系統(tǒng)所下達(dá)的任務(wù)后,無人機(jī)將按照設(shè)定好的航線航行并執(zhí)行任務(wù).

多無人機(jī);路徑規(guī)劃;協(xié)同作業(yè);幾何加權(quán);路徑規(guī)劃

1 引言

無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)是一種具備自主飛行和獨立執(zhí)行任務(wù)能力的新型作戰(zhàn)平臺,不僅能夠執(zhí)行軍事偵察、監(jiān)視、搜索、目標(biāo)指向等非攻擊性任務(wù),而且還能夠執(zhí)行對地攻擊和目標(biāo)轟炸等作戰(zhàn)任務(wù).隨著無人機(jī)技術(shù)的擴(kuò)散與進(jìn)步、戰(zhàn)場的環(huán)境日益危險、訓(xùn)練飛行員以及有人機(jī)研發(fā)制造的成本提升、對戰(zhàn)爭所帶來的人員傷亡和損耗的承受能力的降低,無人機(jī)勢必在未來的戰(zhàn)爭中有著重要的地位.

2 多無人機(jī)協(xié)同任務(wù)分析與建模

2.1 任務(wù)分析

無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時,需要完成對給定目標(biāo)群的的偵查任務(wù),并擬制最佳路線和調(diào)度策略,采用幾何加權(quán)法求解多目標(biāo)的規(guī)劃問題進(jìn)行最佳路線的制定.當(dāng)無人機(jī)飛行時,會被雷達(dá)進(jìn)行監(jiān)測,應(yīng)確保無人機(jī)滯留在雷達(dá)有效探測范圍內(nèi)時間最小.因此,分為無人機(jī)從基地到目標(biāo)群的路徑中被雷達(dá)探測到的時間最小和無人機(jī)到目標(biāo)群后執(zhí)行偵查任務(wù)時被雷達(dá)探測到的時間最小兩部分.

2.2 準(zhǔn)備工作

A.雷達(dá)對無人機(jī)探測的有效距離70km,即雷達(dá)對FY型無人機(jī)的有效探測區(qū)域是半徑為70km的半球區(qū)域,無人機(jī)巡航飛行高度1500m,當(dāng)無人機(jī)飛行在有效探測區(qū)域邊緣時,將無人機(jī)投影到地面上,用勾股定理算得無人機(jī)地面投影點到雷達(dá)距離為69.98km,與有效探測區(qū)域半徑相差0.02km,對問題所求影響很小,可忽略不計,因此雷達(dá)對FY型無人機(jī)的有效探測區(qū)域可以簡化為二維平面內(nèi)矩形區(qū)域,示意圖如圖1所示.

圖1 雷達(dá)監(jiān)測示意圖

B.為了簡化模型,在選取最佳路徑時,先將10個目標(biāo)群分別看作10個整體;在求取最小時間時,再對每個目標(biāo)群整體進(jìn)行細(xì)化建模.

C.無人機(jī)對目標(biāo)群執(zhí)行偵察任務(wù)所走的路線中,由于無人機(jī)最小的轉(zhuǎn)彎半徑為70m,對求取的最小時間影響很小,因此為簡化計算,將轉(zhuǎn)彎時間忽略不計.

2.3 多目標(biāo)群間轉(zhuǎn)移模型

為求解無人機(jī)最佳的航行路線及航行時被雷達(dá)監(jiān)測到的最小時間,建立以下模型.

由題意可知,目標(biāo)群、無人機(jī)基地位置示意圖如圖2所示.將各目標(biāo)群中離散的目標(biāo)點用一個包絡(luò)圓包圍.包絡(luò)圓的圓心采用平均值法針對其包含的所有離散的目標(biāo)點求得;包絡(luò)圓的半徑則是圓心坐標(biāo)與目標(biāo)群中距離圓心最遠(yuǎn)點的距離值,如圖3所示.

圖2 目標(biāo)群、無人機(jī)基地位置示意圖

圖3 包絡(luò)圓示意圖

通過公式(1)、公式(2)和公式(3)求取10個目標(biāo)群的包絡(luò)圓圓心及半徑后,再利用公式(4)求取無人機(jī)基地坐標(biāo)到各目標(biāo)群包絡(luò)圓圓心的距離:

利用幾何加權(quán)劃分搜索區(qū)域的方法對目標(biāo)群劃分區(qū)域,將求取的值進(jìn)行統(tǒng)一化量綱處理的結(jié)果作為劃分搜索區(qū)域的權(quán)值.統(tǒng)一化量綱利用公式(5),這樣會得到一個[0,1]范圍內(nèi)的數(shù)字,用表示.

利用幾何加權(quán)法對目標(biāo)群劃分區(qū)域求解多目標(biāo)的規(guī)劃問題,經(jīng)過計算各權(quán)值的大小將目標(biāo)群劃分為四個區(qū)域:

目標(biāo)群區(qū)域劃分示意圖如圖4所示.使每個編隊的航線長度基本相等,進(jìn)而保證了每個編隊偵查目標(biāo)群所用的時間盡量平均,使得防御方雷達(dá)檢測的時間最短,最佳路線制定為:

其中四個區(qū)域中的目標(biāo)群偵察路線根據(jù)觀察權(quán)值及就近原則制定為:

由于10個目標(biāo)群的雷達(dá)均開機(jī)同時對偵察飛機(jī)進(jìn)行探測,當(dāng)有多架偵察機(jī)同時進(jìn)入雷達(dá)監(jiān)測區(qū)時,監(jiān)測時間為重復(fù)時間,故為了減少雷達(dá)監(jiān)測無人機(jī)的時間,應(yīng)是四個基地的偵察無人機(jī)同時出發(fā),然后只需找到各最佳路線上無人機(jī)最長被監(jiān)測的時間即是最小時間.

圖4 區(qū)域劃分示意圖

2.4 滯留時間最短模型

根據(jù)第一部分建?？汕蟮玫膶⒛繕?biāo)群劃為四個區(qū)域并制定最佳的航行路線及調(diào)度策略基礎(chǔ)上被雷達(dá)監(jiān)測的時間tFA,即是每臺無人機(jī)航行時被雷達(dá)監(jiān)測的最小時間;根據(jù)第二部分建?？汕蟪鰺o人機(jī)偵察每個區(qū)域時被雷達(dá)監(jiān)測的最小時間.那么根據(jù)公式(6)可分別求出四個區(qū)域的最佳航線及偵察該區(qū)域時被雷達(dá)監(jiān)測的時間總和.由于同一基地的兩架無人機(jī)起飛時間間隔和降落回收的時間間隔要求至少3分鐘.并且10個雷達(dá)同時監(jiān)測,其監(jiān)測有效半徑為70km,經(jīng)計算,有重復(fù)的監(jiān)測時間,只需找到四個區(qū)域的最佳航線及偵察該區(qū)域時被雷達(dá)監(jiān)測的時間總和的最大值,即是所有偵察機(jī)被雷達(dá)監(jiān)測的最小總時間.所有FY-1型無人機(jī)滯留在雷達(dá)有效探測范圍內(nèi)的最小總時間模型建立如公式(7)所示,式(7)中td表示飛機(jī)起飛間隔時間.

綜上,最終建立起多無人機(jī)協(xié)同偵察模型.

3 結(jié)束語

采用上述的路線規(guī)劃算法,可以規(guī)劃出多無人機(jī)協(xié)同飛行的路線.得到無人機(jī)的規(guī)劃路線后,就能使多無人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時,就能按照預(yù)定的路線飛行,完成預(yù)定的任務(wù).

[1]鄧啟波.多無人機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃技術(shù)研究[D].北京:北京理工大學(xué),2014.

[2]喬辰,張國立.幾何加權(quán)法求解多目標(biāo)規(guī)劃問題[J].華北電力大學(xué)報.2010,38(6).

[3]田菁.多無人機(jī)協(xié)同偵察任務(wù)規(guī)劃問題建模與優(yōu)化技術(shù)研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院,2007:27-29.