一種分布式控制無人機群集中分簇編隊方法

一種分布式控制無人機群集中分簇編隊方法
【專利摘要】本發明提供一種分布式控制無人機群集中分簇編隊方法，包括以下步驟：1、確定任務鏈中每個任務無人機群任務性質并根據飛行環境確定可行的無人機編隊形式；2、從可行的編隊形式中，對無人機群創建編隊的優化優先集并建模，根據不同的任務目標確定各任務的靜態或者動態優化優先集；3、根據任務的優化指標從靜態優化集或者動態優化集的編隊方式中選出符合性能指標的最優任務隊形或者次優任務隊形。由本發明實施的方法可以高效、智能、靈活的變換和選用無人機群的協作隊形，具有安全、穩定、可靠的優點。
【專利說明】一種分布式控制無人機群集中分簇編隊方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及隊形為簇集中式的多任務無人機群隊形變換和控制領域，尤其是涉及一種分布式控制無人機群集中分簇編隊方法。
【背景技術】
[0002]無人機是現代戰爭中重要的作戰武器，在一定范圍內能夠代替有人機執行多種復雜和危險的任務，然而在未來戰爭中僅靠單架無人機自主作戰無法適應復雜的戰場環境。而具備有效協同策略的無人機編隊能更好的完成任務。因為多架無人機構成的無人機群能夠減小整體飛行阻力，使無人機群在氣動效率、打擊效果、成功率、偵測范圍及規避概率均有提升。從而是無人機群能夠在執行復雜任務、多任務和復雜環境下具有相對大的活動范圍、任務完成概率以及保障性。但是無人機群執行各種不同任務時會存在隊形選擇和任務指標優化問題。首先，無人機群執行不同任務時，不同隊形選擇不但會影響該任務的執行效果，而且會對任務鏈中下一個任務產生額外的作用。特別是在同一區域執行不同的任務時，及時的隊形變換可以使機群安全性提高，還能提升任務的執行效率。其次，對于一些突發的、額外的事件隊形變換有時是必須的、重要的。然而各任務的隊形優化的存在性以及各任務優化與任務整體的優化關系；對于分布式控制、固定結構編隊的隊形控制隨著任務的執行是否存在能進行時時動態調整優化構成動態優化優先集也是當前的關鍵問題。因此無人機群隊形對各種不同任務的影響成為不可忽略的關鍵問題之一。
[0003]早期的較多研究僅僅簡單的考慮任務對無人機編隊隊形的控制，主要工作一般是假定各任務條件下，機群以每架無人機為一節點，或者以長機、僚機形式進行編隊控制，然而對已知任務目標的預先規劃，從而使無人機群在任務中保持某些指標最優化，例如航程最大化等等。目前無人機群隊形控制，隊形變換主要集中在單機單獨考慮的研究方向，即從單架無人機為一簇點方面考慮對任務性質的劃分進行固定或者半固定隊形的航路規劃；另一方面僅針對長、僚機雙擊結構需要完成任務進行隊形的協調工作，而無人機群在分布控制每簇，簇內集中編隊這種聯合狀態下實現的可行性與優化研究較少。

【發明內容】

[0004]本發明旨在至少在一定程度上解決上述技術問題之一或者至少提供一種有用的構建方式。為此，本發明提出了一種具有安全性、可靠性和操作性好的分布式控制無人機群集中分簇編隊方法，使得該方法下無人機群能夠最優或者次優完成任務。其技術方案如下所述:
[0005]一種分布式控制無人機群集中分簇編隊方法，包括以下步驟:
[0006]I)設定無人機群的初始參數，如機群數量，無人機性能等；確定無人機群的任務鏈中各子任務的任務性質，并根據飛行環境確定無人機群在各子任務中的允許編隊形式，初步構成靜態優化優先集；
[0007]2)對所述無人機群在各子任務中的允許編隊形式進行建模，確定每一種編隊形式所對應的網絡拓撲結構，得出在所述任務鏈中各子任務環境下每簇無人機的預定任務配置與拓撲模型，并從中建立隊形轉換數學形式，每簇的任務性質不同會對編隊的選擇方式和轉換方式有很大影響，然后從整體到局部對無人機群的編隊形式采取最優或者次優編隊控制策略；
[0008]3)當某個子任務出現突發情況時，對靜態優化優先集進行重構、擴展或者收縮，并選擇其他有效編隊形式，從而構成動態優化優先集。
[0009]步驟I)中，所述靜態優化優先集包括項目有:任務性質確定的無人機群、每簇的具體功能以及移動性、快速性、機群的簇點、聯接拓撲、拓撲變換策略。
[0010]進一步的，無人機群的每簇為任務性質單一的子簇或者多性質組成的混成簇，其中每簇的具體功能包括:1、目標偵測；11、火力掩護；111、機動備用；IV、干擾與反干擾；v、隊形協調與控制；V1、簇點轉移；VI1、任務中突發情況的隊形應急分配。
[0011]所述無人機群的隊形控制由每簇協調控制，其中控制信號的通訊、隊形策略會受到隊形拓撲和隊形序列的限制；對于有突發情況的隊形應急調整策略，各簇非中心無人機也可參與控制和協調，每簇的具體隊形會受靜態優先級的解集限制；構建動態優化優先集時，某些節點間無直接的信息聯系，因此只能包括構成靜態優先集中一些隊形，動態優化優先集一般是靜態優化優先集的子集；每簇簇內采用集中式編隊方法，簇中心在簇內轉移由簇內各無人機按照分配的具體任務共同參與協調確定。
[0012]所述無人機群的隊形控制協調模式包括:1、同一任務功能協調；11、機動備用協調；111、不同任務間功能轉換協調；
[0013]對于每簇包含多種任務性質的編隊方式，首先將簇內的無人機按功能分層為:1、中心控制層；11、目標任務實施簇，如目標打擊型任務則可選取目標打擊簇為第二層；111、火力掩護簇；IV、干擾與反干擾簇；V、目標偵測；V1、機動備用；其次，中心控制層優先在簇內進行任務協調并處理靜態優化優先集的隊形分配；再次，中心控制層與高優先層的無人機可從低到高調用機動備用直至中心控制層，從而快速的處理動態的優化優先集，達到功能與隊形的可靠轉換；最后除中心控制層應急處理突發情況外，不進行越級功能轉換控制和簇中心轉移；
[0014]每簇只包含單一任務性質的編隊方式，按照任務性質由各簇協調后將具體任務分配給每簇，每簇簇內的中心機能夠靈活指定，并采用分層管理，也能夠采用平行協調方式處理簇內各無人機任務目標；
[0015]任務性質單一的各簇，在簇間協調優先在同一性質的各簇進行；任務性質混成簇在簇間任務轉換由隊形和各簇協調控制決定。
[0016]步驟3)中形成動態優化優先集的方法如下所述:當任務鏈各子任務能夠獨立時，按照每個子任務優化進行，即只對任務進行靜態優化；當存在時間要求或者隊形要求時，按照每簇的預分配模式規劃動態優先集；對緊急情況的隊形處理需要有直接關聯的各簇和各簇中心聯合協調，按照隊形拓撲變化最小即隊形變化前后相似程度最大、各簇移動距離最短、各簇同性質任務間優先變換、有直接鏈接簇點變化的順序進行。
[0017]根據本發明所示的方法，可以使得該方法下無人機群能夠以相應隊形達到具體的優化指標或者應次優形式完成任務。
[0018]本發明的部分優化形式能夠確保任務的某些任務指標明顯改善，從本發明的具體示例或者由此的實踐中可以相印證。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的分布式控制無人機群集中分簇編隊構建的流程圖；
[0020]圖2為本發明的任務鏈隊形控制流程圖；
[0021]圖3為本發明中無人機群分簇編隊的機群優先集構建流程圖；
[0022]圖4是本發明中無人機群隊形變換流程圖；
[0023]圖5a是本發明中隊形變換的拓撲結構變換實施例1 ;
[0024]圖5b是本發明中隊形變換的拓撲結構變換實施例2。
【具體實施方式】
[0025]下面詳細描述本發明的具體示意例，相應流程圖與結構都在附圖中顯示。其中自始至終相同或者類似的標號表示相同或者類似的組成部分或具有相同或者類似功能的組件。以下通過描述附圖所代表的示例，僅僅作為該方法的參考性舉例，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
[0026]下文公開提供了一種特定具體的例子對本發明的方法進行描述，僅僅是為了更加詳細明顯的對本發明的公開，但該種具體簡化示例僅僅作為示例，不能限制于該示例。本發明所公開方法可提供許多不同的示例和實例用來實現本發明相對應的結構，模型，其中的組件和設置描述；并且所對應的推廣目的不在于限制本發明。此外，本發明中的示例可以引申為其余不同的示例中相對應的數字或者字母，此種以特定數字或者字母表示僅為簡化和清楚目的，不能以此為限制或本身不指示所討論的示例本質或者設置之間的關系。本發明所涉及示例中的各種特定工藝與材料為本領域普通技術人員常用的、普通的技術手段。
[0027]本發明的描述中，除特別的注釋，其術語均為廣義理解，如:網絡拓撲中的連接與指令信息交互，可以為各種可能的聯系或者連接方式，即可以直接通信或通過地面、衛星等手段通信，視具體情況理解示例中上述術語的具體含義。
[0028]參照附圖及以下描述與說明能夠更加清晰直觀理解本發明的具體示例的相應方面。具體示例中僅用到一些具體的，特定的實施方式來表明此發明的原理及可行性，但這些不應作為對本發明的限制，相反，本發明的具體示例中衍生的，包括落入所附加權利要求書的精神和內涵范圍內的所有變換、修改和等同物。
[0029]下面將參照附圖詳細的描述根據本發明具體實施例顯示的分布式控制無人機群集中分簇編隊建模和構建方法。
[0030]如圖1所示的一種分布式控制無人機群集中分簇編隊構建方法包括如下步驟:
[0031]步驟E101，根據任務性質及無人機群飛行環境判斷無人機群的允許編隊形式。
[0032]在其他文獻示例中，對無人機群編隊的協同控制僅考慮到同一區域的不同任務進行一次性編隊控制，且局限于目標偵測的路徑規劃方面，其中的例子機群無人機數量較少，目標打擊行為是獨立行動，如文獻:基于多任務的無人機編隊控制研究；或者只根據不同區域同一任務，通常為目標打擊或者目標偵測等路徑規劃，即巡航中指標安全性最高的路徑最優化等。但對無人機群分簇編隊每簇中含多架無人機的編隊變換，特別是有隊形序列限制的任務隊形轉換研究較少。在本文示例中隊形協同與變換項目包括但不限于無人機群集中式分簇模式中每簇為單一任務性質，也可每簇為多個任務性質的無人機混成系統，任務間可以獨立也可以相關聯；或者在這兩種結構中轉換或者局部轉換執行相關聯的不同任務、突發任務等。這里主要對無人機群分簇編隊方式進行研究和構建。包括任務對每一簇的功能設定，編隊在任務鏈的各任務中可行性，機群編隊對應拓撲結構。進一步無人機群的具體簇編隊形式主要有:固定和自由編隊模式；在本發明中控制結構采用固定編隊與分層式結構。簇功能設定包括:任務分配策略、調整策略、功能轉換策略、隊形轉換路徑選擇策略、隊形優化策略等。協同控制部分為整體控制隊形調整方面，主要針對靜態的隊形優化優先集；具體包括:無人機群任務地形隊形限制、機群隊形拓撲結構構建和任務總體配置。
[0033]步驟E102，從任務鏈各子任務中按照優化集列出所有可行的編隊形式，并由此對無人機群編隊進行建模，確定每一種編隊模式對應的網絡拓撲結構，從而可得出在所述任務環境下每簇無人機的預定任務配置與拓撲模型，并從中建立隊形轉換數學形式。在其他文獻中(航路規劃關鍵技術研究，基于空間分解網絡的無人機航路規劃，無人機緊密編隊隊形構成控制，無人機的偵查航路規劃，無人機航路規劃，無人機航路規劃問題初步研究)，多架無人機編隊形式主要對單一任務，如航程最短為指標的路徑規劃；僅文獻《基于多任務的無人機編隊控制研究》提及多任務，但其示例只針對偵測階段的隊形優化，且僅討論單架無人機組成的隊形，而隨后的攻擊部分是各架無人機獨立執行任務的。本發明構建的模型首先是建立在分簇編隊模式上，其中忽略具體的控制系統，多任務中各任務均進行隊形控制，并進行任務鏈總體與局部優化。
[0034]步驟E103，根據任務設定的每簇無人機建立相應的隊形優化策略，并根據任務鏈間隊形序列等限制因素對隊形優化集進行篩選，從而進一步可依照任務鏈中各不同的預定任務從整體到局部采取最優或者次優編隊控制策略。機群具體可采取整體分布式控制、簇內集中控制(主要由簇中心實現)和受隊形序列限制的隊形變換控制模式以對整體隊形進行協調控制。針對不同的任務鏈可從整體到局部采用不同的合理控制方式，如偵測等單一任務性質的總體任務，其任務鏈中各子任務都是偵測性質，因此優化目標可從整體設定為航程最小化下航路規劃，此時應用分布式控制就能完成任務要求的隊形配置。但對于任務性質各異，如含偵測、預警、打擊、支援等多性質任務時，則需要整體與局部，即集中式和分布式雙重控制編隊隊形優化，分布式控制功能為無人機群任務鏈優化，即任務性質復雜時任務整體所限定的隊形與調整方式；集中控制功能為各簇任務性質設定調整；隊形序列的限制在任務鏈各任務隊形變換時給出，選擇條件能限定隊形調整策略。
[0035]參照圖2，一種分布式控制無人機群集中分簇編隊控制結構包括:
[0036]任務鏈及隊形序列限制模塊，用于無人機群整體任務規劃及隊形限制因素判斷；
[0037]任務鏈整體規劃為既定任務下可選的隊形，如當任務鏈各子任務區域相距較遠，則即使存在其他局部任務優化隊形，但為保證在一定載彈量或燃油前提下，只能優先選用節油型隊形；隊形序列限制規劃包括當任務鏈中某兩個或者多個任務，有通信延時或者傳輸干擾等限制因素而無法正常進行隊形調整，則需要對預先目標進行可行的編隊方式加入隊形序列限制規劃。
[0038]空間規劃及任務性質模塊，用于無人機群可行隊形判斷。任務性質可預先設定或提前給出，如以偵測、偵測+巡航、偵測+火力攻擊等任務模式時給定機群每簇任務及可行編隊。空間規劃包括任務執行區域的環境限制，即是否存在高山或者在峽谷執行任務等，這些都對隊形的選擇有所限制。當任務是在峽谷中執行偵測任務或者火力打擊任務時，松散的橫隊隊形必然為不可實現的編隊模式，因此任務性質及空間限定對編隊也存在影響。
[0039]控制部分，用于從可行的隊形中組成隊形優先集，從而選擇整體或局部最優、次優的隊形方式。
[0040]其中，靜態優先集用于編隊優先集建立，其包含空間規劃及任務性質規劃，最終形成各子任務對應的靜態優先集鏈，并且初步設定任務簇分配及隊形變換時簇間變換，隊形序列限制模塊用于任務鏈間任務隊形限制條件下切換規劃及突發情況的應急處理，并反饋實際隊形給靜態優先集，從而篩選出任務鏈中各隊形的前后相互影響，最后形成動態優先集。
[0041]首先通過預先任務目標對任務鏈進行初步規劃與安排，可從已知的信息和其它資料得出任務鏈各任務執行地區的地理和天氣情況。這樣可以得出環境限制下的可行性隊形；其次，根據各任務性質，如偵測任務、打擊任務等對各任務進行簇的任務設定，由此兩項進行隊形靜態規劃，組成一個靜態的優化優先集。
[0042]每簇的具體功能包括:1、目標偵測；11、火力掩護；111、機動備用；IV、干擾與反干擾；v、隊形協調與控制；V1、簇點轉移；VI1、任務中突發情況的隊形應急分配。
[0043]指定執行任務的機群無人機數量，給出優先集中各隊形的拓撲結構、航程、最大攜彈量、最大爬升角等無人機技術參數指標及某些任務的執行時間。對于固定執行時間的任務也應納入靜態規劃部分。此時任務模塊經空間規劃與任務性質模塊，可由分布式控制模式各簇協調給出一個靜態的優化優先集。
[0044]所述無人機群的隊形控制由每簇協調控制，每簇的具體隊形受靜態優化優先級的解集限制，每簇簇內采用集中式編隊方法，簇中心在簇內轉移由簇內各無人機按照分配的具體任務共同參與協調確定。
[0045]由于動態隊形變化與突發任務、任務鏈某節點任務性質變化、靜態優先集有直接關系。因此需要有直接聯系各簇點與簇內中心無人機時時對靜態優化集進行順序調整與更新。對于時間序列上前一任務隊形選擇或者前后任務靜態優先集隊形交集為空這類情況可在動態優先集中選出最優化隊形，再判斷該隊形是否還滿足前后靜態優先集或者隊形序列限制需求；而對于突發情況一般只能在動態優先集中采用次優隊形，因為此時最優隊形很難滿足突發情況任務要求。
[0046]在本發明的實施例中，如圖3無人機群優先集的建立方法包括如下步驟:
[0047]Al)確定任務環境及任務性質；
[0048]A2)設立無人機狀態,包括載彈量、最大爬升角、最大航程、最小飛行高度、最小飛行距離、最大轉彎角度、飛行環境中任務目標敵方威脅等；
[0049]A3)由任務性質、空間環境和無人機狀態設定靜態的編隊優化集；
[0050]A4)按各任務指標排列靜態優化集；
[0051]A5)加入隊形序列限制對靜態優化集的擴充、調整或者選擇；
[0052]A6 )進行任務整體優化或任務鏈各子任務優化；
[0053]A7)對飛行編隊進行相應編隊控制達到正確的編隊形式。
[0054]其中，步驟A5)中的隊形序列限制因素加入靜態優先集，使其轉化為動態優先集。無人機群最終隊形的目標優化就從動態優先集中選出最優或者次優隊形。目標優化一般為任務開始前指定的一些技術指標，如航路最短、機群中無人機數量最少、載彈量最少或者安全系數最高等，因此優化集唯一且有界。
[0055]如圖4所示，步驟A5)還可以詳細化為以下流程:
[0056]A51)含隊形序列限制因素的整體任務開始；
[0057]A52)判斷整體任務的任務鏈之間是否受隊形序列影響；如果是，則進入所述步驟A53);如果否，則進入步驟A6)；
[0058]A53)判斷限制因素對靜態優先集影響；如果有，則進入所述步驟A54)，如果否，則進入步驟A6)；
[0059]A54)判斷動態優先集是否為空集；如果是，則保持原隊形，進入所述步驟A7);如果否，則進入步驟A6)；
[0060]本發明中所述各種限制因素不會使所有任務的動態優先集為空集。
[0061]建模部分用于在確定目標優化集的具體模型。
[0062]該部分集中了隊形轉換的可選建模過程，包括靜態優先優化集模型和動態優化集模型。具體的無人機協同隊形模型可根據實際情況選用。下面將詳細論述以燃料最省為目標的靜態路徑規劃模型和有隊形序列限制的動態任務分配模型的設計思路及建模應用示例。
[0063]靜態路徑規劃建模與算法選擇:
[0064]考慮如圖5a所示5節點拓撲，每一個節點代表一個簇。視每一簇作為一個集合，
設其運動模式為A，其中V,表示第i個簇的位置，設坐標原點為編隊的中心簇(3號
節點)，V為每簇無人機速度，Θ，P為每簇相對中心航向角度，Θ為航向角，P為俯仰角。所
【權利要求】
1.一種分布式控制無人機群集中分簇編隊方法，包括以下步驟: 1)設定無人機群的初始參數，確定無人機群的任務鏈中各子任務的任務性質，并根據飛行環境確定無人機群在各子任務中的允許編隊形式，初步構成靜態優化優先集； 2)對所述無人機群在各子任務中的允許編隊形式進行建模，確定每一種編隊形式所對應的網絡拓撲結構，得出在所述任務鏈中各子任務環境下每簇無人機的預定任務配置與拓撲模型，并從中建立隊形轉換數學形式，然后從整體到局部對無人機群的編隊形式采取最優或者次優編隊控制策略； 3)當某個子任務出現突發情況時，對靜態優化優先集進行重構、擴展或者收縮，并選擇其他有效編隊形式，從而構成動態優化優先集。
2.根據權利要求1所述的分布式控制無人機群集中分簇編隊方法，其特征在于:步驟I)中，所述靜態優化優先集包括項目有:任務性質確定的無人機群、每簇的具體功能以及移動性、快速性、機群的簇點、聯接拓撲、拓撲變換策略。
3.根據權利要求2所述的分布式控制無人機群集中分簇編隊方法，其特征在于:無人機群的每簇為任務性質單一的子簇或者多性質組成的混成簇，其中每簇的具體功能包括:1、目標偵測；11、火力掩護；111、機動備用；IV、干擾與反干擾；V、隊形協調與控制；V1、簇點轉移；VI1、任務中突發情況的隊形應急分配。
4.根據權利要求1所述的分布式控制無人機群集中分簇編隊方法，其特征在于:所述無人機群的隊形控制由每簇協調控制，每簇的具體隊形受靜態優化優先級的解集限制，每簇簇內采用集中式編隊方法，簇中心在簇內轉移由簇內各無人機按照分配的具體任務共同參與協調確定。
5.根據權利要求4所述的分布式控制無人機群集中分簇編隊方法，其特征在于:所述無人機群的隊形控制協調模式包括:1、同一任務功能協調；11、機動備用協調；111、不同任務間功能轉換協調； 對于每簇包含多種任務性質的編隊方式，首先將簇內的無人機按功能分層為:1、中心控制層；11、目標任務實施簇，如目標打擊型任務則可選取目標打擊簇為第二層；111、火力掩護簇；IV、干擾與反干擾簇；V、目標偵測；V1、機動備用；其次，中心控制層優先在簇內進行任務協調并處理靜態優化優先集的隊形分配；再次，中心控制層與高優先層的無人機可從低到高調用機動備用直至中心控制層，從而快速的處理動態的優化優先集，達到功能與隊形的可靠轉換；最后除中心控制層應急處理突發情況外，不進行越級功能轉換控制和簇中心轉移； 每簇只包含單一任務性質的編隊方式，按照任務性質由各簇協調后將具體任務分配給每簇，每簇簇內的中心機能夠靈活指定，并采用分層管理，也能夠采用平行協調方式處理簇內各無人機任務目標； 任務性質單一的各簇，在簇間協調優先在同一性質的各簇進行；任務性質混成簇在簇間任務轉換由隊形和各簇協調控制決定。
6.根據權利要求1所述的分布式控制無人機群集中分簇編隊方法，其特征在于:步驟3)中形成動態優化優先集的方法如下所述:當任務鏈各子任務能夠獨立時，按照每個子任務優化進行，即只對任務進行靜態優化；當存在時間要求或者隊形要求時，按照每簇的預分配模式規劃動態優先集；對緊急情況的隊形處理需要有直接關聯的各簇和各簇中心聯合協調，按照隊形拓撲變化最小即隊形變化前后相似程度最大、各簇移動距離最短、各簇同性質任務間優先變換、有直接鏈`接簇點變化的順序進行。
【文檔編號】G05D1/10GK103777640SQ201410017265
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月15日 優先權日:2014年1月15日
【發明者】王磊, 顏嵩林, 王艷風 申請人:北京航空航天大學