基于信息图的多无人机三维协同搜索动目标方法

针对多无人机协同搜索区域内多运动目标问题,考虑传感器的探测概率与虚警概率、无人机的飞行与避撞约束和目标随机运动等特征,提出基于信息图的多无人机三维协同搜索方法.以无人机搜索的短期收益、长期收益和协调收益的平衡为核心,考虑无人机三维运动的特征,构建多无人机协同搜索的数学规划模型,并设计包含目标存在概率、环境不确定度、重访信息素和搜索增益4个因子的搜索信息图.基于滚动规划架构,整合新提出的剪枝方法进行模型的求解.在典型的协同搜索场景下,通过数值仿真验证所提方法的有效性.仿真结果表明,所提出的方法可以在秒级的时间内做出每架无人机的三维航迹决策,重访信息素和搜索增益因子可以引导无人机捕获更多的目标.对比仿真结果表明,所提出的方法可以在捕获更多目标的同时具有更少的误判次数,有效提升了多无人机协同搜索的任务效能.     

针对动态目标的多无人机协同组合差分进化搜索方法

针对多无人机动态目标协同搜索问题,提出一种组合差分进化无人机协同搜索航迹规划方法.建立动态目标协同搜索环境信息图模型及无人机运动模型.基于改进差分蝙蝠算法和自适应差分进化算法,设计基于种群数量自适应分配的组合框架,将差分进化算法中的变异、交叉和选择机制引入蝙蝠算法,构建组合差分进化算法的协同搜索算法,并对无人机动态目标协同搜索的航迹进行优化.针对待搜索目标轨迹随机多变且具有规避侦察特性的现实场景,建立可回访数字信息图和自适应目标搜索增益函数,从而提高无人机对动态目标的捕获能力.最后,通过仿真结果验证所提出的无人机动态目标协同搜索算法的有效性.     

多无人机模糊多目标分布式地面目标协同追踪

针对城市环境中多约束条件下多无人机协同追踪地面目标问题,综合考虑具有不同重要性等级的多个优化目标,提出了一种基于分布式预测控制的模糊多目标航迹规划方法.首先,考虑城市环境中建筑物对无人机视线遮挡、无人机和传感器能量消耗等因素,分别采用目标覆盖度、控制输入代价和开关量形式传感器能耗等为目标函数,将多无人机协同追踪航迹规划转化为多目标优化问题;然后,基于分布式预测控制框架,利用每架无人机未来有限时域内的预测状态,构建多无人机之间的避碰约束,并结合最小转弯半径等约束,形成分布式协同航迹规划模型;最后,针对多个优化目标的不同重要性等级要求,利用模糊满意优化思想将目标模糊化,并根据更重要目标具有更重要满意度的原则,将优先等级表示为松弛满意度序,通过在线求解得到有限时域内每架无人机的局部航迹;与传统多目标加权算法仿真结果对比,验证了所提方法的有效性,充分说明了该方法能够获得同时满足目标优化和重要性等级要求的最优航迹.     

基于协同进化的多无人机航迹规划研究

关于多无人机航迹优化研究,针对复杂环境下多无人机(UAV)系统的航迹规划,达到摧毁目标最大化,解决不同无人机之间的协同和防撞问题,提出了一种利用合作型协同进化算法的多无人机三维航迹规划方法.利用数字地图建立了无人机安全飞行曲面,采用并行进化的方案,将每个无人机航迹规划当作一个子问题,通过协同函数和无人机间的防撞设计实现各无人机间的时间协同和空间防撞.各子种群采用自适应的进化方法,在保持多样性的同时,保证了算法收敛的快速性.仿真结果表明,算法有效实用,能快速得到各无人机的低空突防三维航迹,可为多无人机航迹优化提供手段.     

基于Memetic算法的多无人机任务分配研究

多无人机协同任务分配问题是多无人机协同控制的关键问题.多无人机协同任务分配问题的难点在于复杂多变的环境下存在多个彼此冲突的目标,如何获得多目标问题的最优解,一直是学术界和工程界关注的焦点.根据多无人机任务分配的特点,针对扩展的混合整数线性规划的任务分配模型,将一种多目标文化基因算法应用于多无人机协同任务分配中并进行仿真,结果表明,提出的算法具有较强的全局搜索能力和快速收敛性,并且验证此算法解决多无人机协同任务分配问题的有效性.     

基于协同进化的混合变量多目标粒子群优化算法求解无人机协同多任务分配问题

无人机多机协同控制系统近年来已被广泛地应用在军事打击、海洋监测、陆地航拍和灾情探测等领域.针对无人机协同多任务分配问题,为了更加准确地描述无人机协同多任务分配场景,本文考虑实际应用场景下的多种复杂约束,并以无人机飞行总航程最少和任务完成时间最短为优化目标,构建了混合变量多约束的无人机协同多任务分配问题模型M-CMTAP.为了高效求解上述模型,本文提出一种基于协同进化的混合变量多目标粒子群优化算法C-MOPSO.C-MOPSO采用基于任务分配和路径规划的编码方法表示无人机的任务分配结果和路径规划结果及基于约束处理的可行解初始化方法生成可行粒子;同时利用基于结构学习的重组策略对粒子进行更新以提高种群的多样性和收敛性;并引入协同进化策略在两个子种群之间进行合作进化以提高算法的搜索效率.根据无人机和目标的分布状态设计4个代表性的测试实例并验证算法性能,实验结果表明,与其他采用协同进化策略的算法相比,所提算法在解的收敛性和解集多样性上均具有显著的性能优势.     

一种多飞行器协同航迹规划的新方法

在综合考虑飞行器编队的飞行代价和作战效果的基础上,提出了一种多飞行器协同航迹规划的新思路,将飞行器编队的协同航迹规划与任务分配结合起来考虑,研究基于任务分配的多飞行器协同航迹规划方法.对传统的飞行器航迹规划模型加以改进,重新建立了结合任务分配的飞行器编队协同航迹规划模型.运用遗传算法对构建的航迹规划模型进行仿真验证,结果表明,基于任务分配的飞行器编队协同航迹规划方法,不仅能保证各飞行器选择合理的协同航迹,也使得作战任务可以获得最佳作战效果,有效的提高编队作战的效费比.     

基于改进A*算法的无人机航迹规划

在无人机航迹规划问题的研究中,针对在执行飞行任务前,需要根据所经区域内已知的地形、地貌、障碍和威胁等信息以及飞机本身机动能力的限制计算出飞行航迹, 并根据规划出的航迹完成飞行任务.能准确识别起始点到目标航路,提出了一种基于改进A*算法的无人机航迹规划方法,将无人机自身的性能和飞行任务结合到A*算法中去,在节点的搜索过程中解决了A*算法大空间搜索耗时多的问题.通过简单的路径消减算法去除不必要的航迹点,使得规划出来的航迹能够最大程度上满足无人机的运动特性.仿真结果表明采用的方法计算速度快并且规划达到最优性能.     

针对运动目标的多无人机协同鸽群优化搜索方法

针对多无人机协同运动目标搜索问题,本文设计了改进鸽群优化算法的协同搜索决策.首先,基于运动目标的独立性,建立了服从正态分布的目标概率信息图模型;为了提高环境中目标存在的确定度,建立了搜索环境的确定度信息图.其次,通过建立的吸引和排斥数字信息素图,引导无人机向未搜索区域飞行,减少重复搜索概率,提高协同目标搜索效率,并基于传统的鸽群算法,通过加入速度更新修正机制和精英代机制对其进行改进.然后,结合环境中目标的存在概率信息以及无人机搜索目标的探测信息,使用改进鸽群优化算法,规划无人机的最优搜索飞行路径.并设计避碰机制,以有效防止无人机搜索过程中的碰撞.最后,通过比较仿真实验验证了改进鸽群优化算法对运动目标协同搜索的有效性.     

基于改进粒子群算法的多无人机任务分配研究

任务分配问题是多无人机协同控制的关键技术之一.在深入分析多无人机任务分配问题特点的基础上,对现有模型进行了扩展,建立了多无人机协同任务分配的混合移数线性规划(MILP)模型.对现有粒子群算法进行了改进,提出一种具有较强全局搜索能力的多子群多阶段粒子群算法,开展了粒子群算法在多无人机协同任务分配问题中的应用研究,主要针对粒子群算法的编码策略、约束处理、算子选取、参数设置等方面进行相应的调整和改进.最后对算法进行了仿真,仿真结果表明了该方法的有效性.     

基于集散式模型预测控制的多无人机协同分区搜索

针对多无人机在对大范围目标区域执行协同搜索任务时搜索资源分配不均、容易因频繁转场造成资源浪费等问题,借鉴集中式控制和分布式控制结构的优点,建立了集散式多无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)协同搜索结构体系,通过聚类分析和V图划分等方法对目标区域进行分区,结合各子区域任务特点对无人机群进行搜索任务分配,并采用一种经改进后可有效增大UAV预测范围的预测控制模型,研究了动态环境下多UAV集散式协同分区搜索问题,最后,将所提方法与常见几种协同搜索方法进行对比仿真,获取仿真结果验证了所提方法在目标发现概率和搜索效率方面的有效性和优越性.     

基于分布式一致性的无人机编队控制方法

多无人机系统中,系统状态的一致性是实现多无人机协同控制的基础,针对多无人机中存在的三维空间编队控制问题,提出一种分布式一致性的无人机编队协同控制方法。在主机-从机组成的多无人机系统的基础上,引入分布式结构,设计无人机控制系统模型并建立无人机编队协同机制。根据协同机制设计基于一致性算法的协同编队控制器、基于匈牙利算法的任务分配策略以及避障策略。分别在简易模拟器和基于ROS-Gazebo的实景模拟器中仿真验证了协同控制方法的有效性。结果表明：无人机群能够有效地完成协同编队任务,并且可以通过调整层次结构进行有效编队重构。     

面向多无人飞行器的有界跟踪控制方法的设计与验证

针对多无人机跟踪轨迹时的控制问题和安全问题,本文提出了一种四旋翼无人飞行器的有界跟踪控制方法.该方法能够保证多台无人机在进行轨迹跟踪的同时将自身运动限制在指定范围内.本文通过能量分析的方法设计了具体形式的控制器,并基于Lyapunov稳定性分析证明了系统误差的有界和收敛特性.在此基础上,通过设计和搭建室内多无人飞行器实验平台,完成了多无人飞行器实时轨迹跟踪的实验,验证了该控制器的实际性能.实验结论表明,无人飞行器的有界跟踪方法不但拥有良好的动态特性,而且能够有效地避免无人飞行器越过安全边界造成碰撞等问题,具有较好的安全性和鲁棒性.     

群机器人任务分工与协同搜索方法

群机器人执行搜索任务时,为平衡任务分工和提高协同搜索效率,提出预分工与反馈调节的双层分工方法和模拟鸟群觅食的协同搜索方法。在任务分工方面,以探测的目标强度为依据建立目标选择概率函数,使用轮盘赌确定机器人意向目标,将意向目标相同的机器人预分配为同一子群,使用反馈调节法实现分工平衡。在协调搜索方面,模拟鸟群觅食过程,提出粒子群-人工势场的搜索和避障协同控制方法。仿真结果表明,协同搜索方法能够锁定区域内所有目标,与文献[10]方法相比,任务完成平均耗时减少了17.14%,最优耗时减少了18.61%,验证了该方法在任务分工和目标搜索上的优越性。     

An Optimal Control Strategy for Multi-UAVs Target Tracking and Cooperative Competition

An optimal control strategy of winner-take-all (WTA) model is proposed for target tracking and cooperative competition of multi-UAVs (unmanned aerial vehicles). In this model, firstly, based on the artificial potential field method, the artificial potential field function is improved and the fuzzy control decision is designed to realize the trajectory tracking of dynamic targets. Secondly, according to the finite-time convergence high-order differentiator, a double closed-loop UAV speed tracking the controller is designed to realize the speed control and tracking of the target tracking trajectory. Numerical simulation results show that the designed speed tracking controller has the advantages of fast tracking, high precision, strong stability and avoiding chattering. Finally, a cooperative competition scheme of multiple UAVs based on WTA is designed to find the minimum control energy from multiple UAVs and realize the optimal control strategy. Theoretical analysis and numerical simulation results show that the model has the fast convergence, high control accuracy, strong stability and good robustness.      

面向环境探测的多智能体自组织目标搜索算法

针对在复杂非结构化环境下如何协调多个无人机发现静态或动态目标的问题,建立了自组织目标搜索算法框架。结合磁探仪等效平均探测宽度模型,受昆虫协调方式和鸟群效应的生物机制启发,提出了基于仿生集群算法的无人机集群分布式目标搜索模型;采用改进的自适应差分进化算法帮助无人机集群模型在环境中平衡勘探和探索,实现无人机群体的协同搜索优化。该自组织目标搜索算法旨在以最短时间实现跟踪目标数量的最大化。基于仿真平台的实验测试了该策略的性能,验证了算法对具有未知目标的非结构化复杂环境的适用性。     

Distributed control of target cooperative encirclement and tracking using range-based measurements

This paper investigates a distributed coordinate-free control method of ground target cooperative encirclement and tracking for an unmanned aerial vehicle (UAV) formation. Different from the existing methods, the relevant information for the circumnavigation can be measured by the UAV sensors rather than directly from the tracked target. Based on these distance measurements, a multi-UAV encirclement guidance law that satisfies both target coordination and tracking is designed. According to the proposed lemma of interconnected system, the formation system under the guidance law is globally uniformly asymptotically stable. The effectiveness and advantages of the proposed controller are validated via simulations.