多無人機的協同任務路線規(guī)劃

沈陽理工大學 王紅霞 張 朋

多無人機的協同任務路線規(guī)劃

沈陽理工大學 王紅霞 張 朋

如今,單一的無人機已滿足不了人們的需求,越來越多的學者投入到多無人機協作領域中來,各國也加入到這場關于無人機軍事化應用的競賽之中.無人機執(zhí)行任務前,無人機地面控制系統必須預先設定好任務計劃,并將數據發(fā)送到無人機的飛控計算機上,接受地面控制系統所下達的任務后,無人機將按照設定好的航線航行并執(zhí)行任務.

多無人機;路徑規(guī)劃;協同作業(yè);幾何加權;路徑規(guī)劃

1 引言

無人機(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)是一種具備自主飛行和獨立執(zhí)行任務能力的新型作戰(zhàn)平臺,不僅能夠執(zhí)行軍事偵察、監(jiān)視、搜索、目標指向等非攻擊性任務,而且還能夠執(zhí)行對地攻擊和目標轟炸等作戰(zhàn)任務.隨著無人機技術的擴散與進步、戰(zhàn)場的環(huán)境日益危險、訓練飛行員以及有人機研發(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,無人機勢必在未來的戰(zhàn)爭中有著重要的地位.

2 多無人機協同任務分析與建模

2.1 任務分析

無人機執(zhí)行任務時,需要完成對給定目標群的的偵查任務,并擬制最佳路線和調度策略,采用幾何加權法求解多目標的規(guī)劃問題進行最佳路線的制定.當無人機飛行時,會被雷達進行監(jiān)測,應確保無人機滯留在雷達有效探測范圍內時間最小.因此,分為無人機從基地到目標群的路徑中被雷達探測到的時間最小和無人機到目標群后執(zhí)行偵查任務時被雷達探測到的時間最小兩部分.

2.2 準備工作

A.雷達對無人機探測的有效距離70km,即雷達對FY型無人機的有效探測區(qū)域是半徑為70km的半球區(qū)域,無人機巡航飛行高度1500m,當無人機飛行在有效探測區(qū)域邊緣時,將無人機投影到地面上,用勾股定理算得無人機地面投影點到雷達距離為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,因此雷達對FY型無人機的有效探測區(qū)域可以簡化為二維平面內矩形區(qū)域,示意圖如圖1所示.

圖1 雷達監(jiān)測示意圖

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

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

2.3 多目標群間轉移模型

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

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

圖2 目標群、無人機基地位置示意圖

圖3 包絡圓示意圖

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

利用幾何加權劃分搜索區(qū)域的方法對目標群劃分區(qū)域,將求取的值進行統一化量綱處理的結果作為劃分搜索區(qū)域的權值.統一化量綱利用公式(5),這樣會得到一個[0,1]范圍內的數字,用表示.

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

目標群區(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,進而保證了每個編隊偵查目標群所用的時間盡量平均,使得防御方雷達檢測的時間最短,最佳路線制定為:

其中四個區(qū)域中的目標群偵察路線根據觀察權值及就近原則制定為:

由于10個目標群的雷達均開機同時對偵察飛機進行探測,當有多架偵察機同時進入雷達監(jiān)測區(qū)時,監(jiān)測時間為重復時間,故為了減少雷達監(jiān)測無人機的時間,應是四個基地的偵察無人機同時出發(fā),然后只需找到各最佳路線上無人機最長被監(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

根據第一部分建?？汕蟮玫膶⒛繕巳簞潪樗膫€區(qū)域并制定最佳的航行路線及調度策略基礎上被雷達監(jiān)測的時間tFA,即是每臺無人機航行時被雷達監(jiān)測的最小時間;根據第二部分建模可求出無人機偵察每個區(qū)域時被雷達監(jiān)測的最小時間.那么根據公式(6)可分別求出四個區(qū)域的最佳航線及偵察該區(qū)域時被雷達監(jiān)測的時間總和.由于同一基地的兩架無人機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個雷達同時監(jiān)測,其監(jiān)測有效半徑為70km,經計算,有重復的監(jiān)測時間,只需找到四個區(qū)域的最佳航線及偵察該區(qū)域時被雷達監(jiān)測的時間總和的最大值,即是所有偵察機被雷達監(jiān)測的最小總時間.所有FY-1型無人機滯留在雷達有效探測范圍內的最小總時間模型建立如公式(7)所示,式(7)中td表示飛機起飛間隔時間.

綜上,最終建立起多無人機協同偵察模型.

3 結束語

采用上述的路線規(guī)劃算法,可以規(guī)劃出多無人機協同飛行的路線.得到無人機的規(guī)劃路線后,就能使多無人機在執(zhí)行任務時,就能按照預定的路線飛行,完成預定的任務.

[1]鄧啟波.多無人機協同任務規(guī)劃技術研究[D].北京:北京理工大學,2014.

[2]喬辰,張國立.幾何加權法求解多目標規(guī)劃問題[J].華北電力大學報.2010,38(6).

[3]田菁.多無人機協同偵察任務規(guī)劃問題建模與優(yōu)化技術研究[D].國防科學技術大學研究生院,2007:27-29.