多無人飛行器協(xié)同規(guī)劃研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，無人飛行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）技術(shù)得到了快速發(fā)展。無人飛行器因其成本低、零傷亡、適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢，在軍事情報(bào)收集、偵察、打擊等方面得到了廣泛應(yīng)用。然而，現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境和作戰(zhàn)任務(wù)復(fù)雜多變，以及敵方防空火力的不斷加強(qiáng)，給UAV的應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)。受物理性能的限制，單個(gè)UAV已不能滿足日益復(fù)雜的任務(wù)需要，多UAV協(xié)同成為一種重要的作戰(zhàn)方式。
　　本文以戰(zhàn)場環(huán)境中多個(gè)UAV組成編

2、隊(duì)協(xié)同打擊多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的復(fù)雜任務(wù)為研究對(duì)象，根據(jù)任務(wù)要求將其分為多航跡規(guī)劃、協(xié)同時(shí)間、目標(biāo)分配等幾個(gè)部分，并分別對(duì)每一部分的子問題進(jìn)行研究，從而得到多UAV協(xié)同規(guī)劃任務(wù)的整體解決方案。
　　首先，針對(duì)戰(zhàn)場環(huán)境中的不確定性和協(xié)同規(guī)劃任務(wù)的復(fù)雜性，為一對(duì)發(fā)射點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)之間同時(shí)規(guī)劃出多條備選航跡，以提高UAV應(yīng)對(duì)突發(fā)威脅的應(yīng)急處理能力和協(xié)同規(guī)劃的靈活性。建立了基于自適應(yīng)聚類遺傳算法的多航跡規(guī)劃方法，將航跡間距離作為聚類的依據(jù)，同時(shí)規(guī)劃出具

3、有明顯空間分布差異的多條備選航跡。針對(duì)航跡評(píng)價(jià)的多目標(biāo)性和模糊性的特點(diǎn)，提出了基于物理規(guī)劃的航跡評(píng)價(jià)方法，并將其應(yīng)用于聚類遺傳算法的航跡評(píng)價(jià)中，克服了傳統(tǒng)權(quán)重方法中人為因素的干擾，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)航跡評(píng)價(jià)和進(jìn)化求解的一體化。
　　其次，利用多航跡規(guī)劃的結(jié)果解決多個(gè)UAV打擊同一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的協(xié)同時(shí)間問題。定義了協(xié)同變量和協(xié)同函數(shù)，建立了從UAV決策到編隊(duì)代價(jià)的映射關(guān)系，并將問題分解為兩層：根據(jù)綜合協(xié)同函數(shù)確定使得編隊(duì)整體代價(jià)最優(yōu)的協(xié)同變量

4、值；根據(jù)最優(yōu)協(xié)同變量值得到每個(gè)UAV的最優(yōu)決策，即選擇的航跡和飛行速度。針對(duì)多個(gè)UAV同時(shí)發(fā)射和存在發(fā)射間隔兩種情況，基于UAV的協(xié)同函數(shù)曲線，分別設(shè)計(jì)了不同的掃描線法，從而得到使得UAV編隊(duì)整體代價(jià)最優(yōu)的協(xié)同方案。
　　第三，針對(duì)存在多個(gè)UAV和多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的復(fù)雜任務(wù)，研究了多UAV目標(biāo)分配問題。從打擊可靠性出發(fā)，將目標(biāo)點(diǎn)的打擊成功率作為約束，建立多目標(biāo)數(shù)學(xué)規(guī)劃模型。對(duì)模型進(jìn)行變換，采用改進(jìn)的功效系數(shù)法將其轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)MILP模型

5、，用CPLEX直接求解并進(jìn)行參數(shù)分析。針對(duì)大規(guī)模問題直接求解效率低的情況，設(shè)計(jì)拉格朗日啟發(fā)式算法，以損失一定的最優(yōu)性為代價(jià)，大幅提高了算法的求解速度。
　　最后，在UAV打擊目標(biāo)點(diǎn)的末端，研究了考慮UAV運(yùn)動(dòng)約束的軌跡規(guī)劃。根據(jù)UAV的運(yùn)動(dòng)特性建立軌跡規(guī)劃的最優(yōu)控制模型，通過最大值原理推導(dǎo)出最優(yōu)軌跡的特點(diǎn)。針對(duì)簡單軌跡，根據(jù)UAV和目標(biāo)點(diǎn)位置的幾何關(guān)系，通過更新狀態(tài)方程得到軌跡的解析形式。對(duì)于多UAV協(xié)同打擊同一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的情況，綜