专利名称：一种威胁信息共享环境下的无人机群实时航路规划方法
技术领域：
本发明涉及一种无人机实时航路规划方法，特别是涉及一种威胁信息共享环境下 的无人机群实时航路规划方法。该方法属于人工智能领域。
背景技术：
多无人机协作共同完成作战任务是未来复杂敌对环境或战争环境中无人机的主 要工作模式之一。威胁环境中的无人机航路规划是无人机实现自主飞行进而执行作战任 务的前提，是军用无人机需要解决的关键问题。机群协同航路规划就是在具有不确定性的 威胁环境中，最大限度地利用地形信息和敌情信息，综合考虑无人机导航精度和机动能力 的限制，在适当的时间内为机群计算出尽可能有效避开威胁、防止碰撞、代价较小的协同航 路，最终引导无人机群到达给定目标位置。为了增加攻击的突然性和快速性，一般要求无人机在尽量短的时间内同时到达攻 击地点并实施攻击。面向同时到达问题的多无人机协同航路规划一般采用分布式分层规划 结构，将机群航路规划分成协同决策层和航路规划层两层来实现。分布式规划结构如
图1 所示。协同决策层主要负责协调控制机群中各架无人机的时间、速度或剩余航路长度， 航路规划层为单架无人机规划航路，保证机群中各架无人机都能找到一条既满足协同要求 又避免碰撞(包括无人机位置和威胁区域相交以及无人机之间相撞)的航路，并能引导无 人机同时到达攻击目标点。一个机群存在一个协同决策层和多个航路规划层，航路规划层 的数量与无人机数量一致。协同决策层在地面站或由某一架特定的无人机实现，航路规划 层作为独立的模块分布在所有无人机。一般情况下，机群中所有无人机的航路规划层采用 相同的航路规划方法，一般选择采用较成熟的单机规划方法(如A *算法、模糊推理的方法 等)进行航路规划。本项发明中航路规划层采用一种基于反馈模糊推理的无人机实时航路规划方法 [名称一种基于反馈模糊推理的无人机实时航路规划方法，申请号201010264907. 0]。基 于反馈模糊推理的无人机实时航路规划方法在经典模糊规则合成法的基础上加入反馈机 制，使无人机在航路规划中具有了自主学习的能力。将该方法应用到单无人机实时航路规 划中，取得了满意的航路规划效果。
发明内容
1、发明目的威胁信息是机群协同作战的主要特点之一，威胁信息共享是指机群中的无人机在 执行任务的过程中，任一架无人机探测到的威胁信息都要广播给机群中所有其他无人机， 实现机群对环境地图的同步更新。无人机群威胁信息共享如图2所示。威胁信息是航路规 划中非常重要的环境信息，直接影响最终规划的航路。威胁信息共享在一定程度上扩大了 无人机的探测范围，使得无人机对环境信息了解更多。直观认为，无人机获得的环境信息越多，规划的航路越趋向于全局最优。但是将基于反馈模糊推理的无人机实时航路规划方法 应用到多机协同航路规划时部分无人机的航路出现不能收敛到目标点的情况，如图3 图 5所示。导致这种现象发生的原因如下基于反馈模糊推理的无人机实时航路规划方法认 为无人机偏航角的改变由躲避危险(即PS)和向着目标飞行(即GS)两方面的因素决定。 无人机在某个位置一旦获取了当前环境信息，PS和GS就会被同时激活并进行独立决策，然 后通过分配两种因素的权值而最终得到无人机的实际转角，由下述公式描述Δ θ = Wps · Δ θ ps+wGS · Δ θ GS(1)其中，Δ θ表示无人机的实际转角，Δ θ ps表示由PS决定的参考转角，Δ 表 示由GS决定的参考转角，wPS和表示二者所占的权重。其中基于反馈模糊推理的无人机实时航路规划方法对GS决定的参考转角Δ θ GS 有两种确定方式——对目标飞行模式和威胁体边界跟踪模式。两种模式的转换条件为“如 果当前在机-目连线上有威胁体存在，即无人机无法向着目标飞行，无人机将按照威胁体 边界跟踪模式飞行；否则，无人机将按照对目标飞行模式飞行”。这一转换条件在单机航路 规划时是可行的，因为单无人机环境下无人机只能掌握当前位置周围探测半径范围内的环 境信息，这一范围内的威胁是无人机当前位置需要考虑并回避的。但是多机协同威胁信息 共享环境下，无人机获取的信息除了自身当前位置周围探测半径范围内的环境信息，还包 括机群中其他无人机当前位置周围探测半径范围内的环境信息。即使在机-目连线上有威 胁体存在时，威胁体可能距离无人机当前位置很远，不会对当前阶段的飞行构成威胁，但满 足基于反馈模糊推理的无人机实时航路规划方法的模态转换的条件，所以无人机切换到威 胁体边界跟踪模式，进而转入对距离最近的威胁区域的边界跟踪，导致出现图3 图5所示 的围绕威胁区域转圈而最终不能收敛到目标点的现象。本发明的目的是为了提供一种威胁信息共享环境下的无人机群实时航路规划方 法，它解决了威胁信息共享导致的模态转换混乱问题，消除了信息共享环境下不能收敛到 极点的现象，改善了威胁信息共享环境下多无人机协同航路规划的效果。本发明通过引入 虚拟目标技术将威胁信息共享环境下的无人机航路规划进行分段处理，通过虚拟目标和全 局目标的切换引导机群中的无人机同时到达全局目标点。2、技术方案本发明一种威胁信息共享环境下的无人机群实时航路规划方法，是对基于反馈模 糊推理的无人机实时航路规划方法在多无人机威胁信息共享应用背景下的改进方法。本发明的设计思想是在基于反馈模糊推理的基础上引入虚拟目标技术将无人机 航路规划看作是躲避危险PS、向着全局目标飞行GS和向着虚拟目标飞行VGS三种因素的综 合作用。PS保证无人机能够规避危险，安全飞行；GS保证无人机最终能够到达给定全局目 标；VGS保证无人机能够到达不同阶段的虚拟目标点。这三种因素共同影响无人机在当前位置的转角，并由下述公式描述Δ θ = Λ θ ps · Wps+ η · Δ θ GS · wGS+(l- η ) · Δ θ VGS · wVGS(2)= Δ θ ps . Wps+ [ n · Δ θ GS+(1- η) · Δ θ VGS] · (l_wPS)其中，Δ θ表示无人机的实际转角，Δ θ ps表示由PS决定的参考转角，Δ 表 示由GS决定的参考转角，Δ θ VGS表示由VGS决定的参考转角。^jes和Wves表示三者所占的权重。n是一个布尔型变量，表示对全局目标和虚拟目标的选择关系，n取值与模态选 择关系如式(3)所示。
权利要求
1. 一种威胁信息共享环境下的无人机群实时航路规划方法，其特征在于该方法具体 步骤如下步骤一初始化初始化是实现模糊规则库的建立；这里有两个参量是通过模糊推理得到的，分别是参 考转角Δ θ ps及其权重Wps，因此需要建立两个模糊规则库；1、建立关于Δθ ps的模糊规则库设无人机的探测范围是一个半圆，其半径为无人机的最大探测距离DR ；为使无人机能 够区分左方、前方和右方的危险，将无人机的探测范围分成三个扇形区域，分别为左即中心 角度为60°、前即中心角度为0°和右即中心角度为-60°，用扇形危险指数α来衡量每个 扇形区域的危险程度；为计算某扇形区域的危险指数α，首先在该扇形区域内均勻地选取 η个坐标点Wi (i = 1，…，η)，然后计算每个坐标点的危险系数P (Wi)，将各个坐标点的危险 系数加起来就得到该扇形区域的危险指数
2、建立关于wPS的模糊规则库参考转角△ θκ的权重Wps由所有当前已知威胁信息对无人机环境的危险程度决定； 无人机环境的危险程度是指无人机全部探测范围的危险程度，在此用半圆危险指数β。来 表示，半圆危险指数β。用下式计算β c = α a f+ a r(8)将P。的大小分成η个等级，由此形成η个模糊集尺(i = 1，…，η)，相应地，将wPS的 大小也分成η个等级，并形成η个模糊集(i = 1，…，η)，由此建立模糊规则库 规则i 如果β c为代,那么^为^rs (i = 1，…，η)设规则i蕴含的模糊关系为Riwps，由公式⑴得
3.判断当前机-目连线是否被威胁域阻挡，如果没有阻挡则选择全局目标作为无人机 当前阶段飞行目标，并赋值n = 1，同时转7结束目标规划；如果机-目连线被威胁域阻挡， 则需要计算虚拟目标，并把它作为现阶段的飞行目标，令η =0，同时继续执行4计算虚拟 目标； 4.计算当前飞行方向上第一个与机-目连线相交威胁连通区域TRCb; 5.计算无人机当前位置与威胁连通区域TRCb所有切线的切点，并分别保存逆时针和顺 时针方向夹角最大的切线的切点W1和i ； 6.计算切点W1和Wr到给定全局目标点的距离，并将距离较短的切点选作虚拟目标； 7.结束目标点规划； 步骤三计算Δ θ ps和Wps参考转角Δ θ ps其权重Wps通过基于反馈的模糊推理得到；模糊推理的前件是根据 无人机探测范围内三个扇形区域的危险指数α ρ 、α f和αr;1将扇形危险指数af模糊化通过将α ρ 、α f和αr模糊化得到模糊推理所需的模糊前件；由公式(5)计算出α f的值后，将α f模糊化，采用不同的模糊化算子，这里采用三角形模糊算子，通过确定两个特征参数、和Ci2即将Cif模糊化；另外，若计算出Ci1为负值，则令μ (α) =0，α e [αι， 0)；2将半圆危险指数β。模糊化首先由公式(8)计算β。的值，然后用三角形模糊算子将其模糊化，通过确定两个特征参数^和β2即将β。模糊化，若计算出为负值，则令μ (β) =0，β e [βρΟ)； 3.模糊推理%和α。作为模糊前件，Δ θ ps*Wps作为模糊推理的后件，采用模糊推理得到模糊后件；模糊推理采用反馈模糊推理方法，使无人机在实时航路规划中具备了自主学习能力； 在模糊推理中，加入反馈是使模糊规则库能够随着环境的变化而不断更新，这里提出一种可行的反馈策略；设给定模糊关系为R，无人机在
时间内获取的前件序列为{A°，A1,…，At-1I, 经过反馈模糊推理得到的相应的后件序列为{B°，B1,…，BtI，在t时刻获取的前件为At ； 将t时刻的反馈信息Ft设计为
全文摘要
一种威胁信息共享环境下的无人机群实时航路规划方法，该方法有七大步骤步骤一初始化；步骤二目标点规划；步骤三计算ΔθPS和wPS；步骤四解模糊；步骤五确定其余参量；步骤六确定无人机的下一个位置；步骤七设计结束。本发明解决了威胁信息共享导致的模态转换混乱问题，消除了信息共享环境下不能收敛到极点的现象，改善了威胁信息共享环境下多无人机协同航路规划的效果。它通过引入虚拟目标技术将威胁信息共享环境下的无人机航路规划进行分段处理，通过虚拟目标和全局目标的切换引导机群中的无人机同时到达全局目标点。本发明构思科学，容易实现，为工程应用提供了一种简便实用和可靠的无人机实时航路规划方法。
文档编号G01C21/24GK102147255SQ201110005488
公开日2011年8月10日 申请日期2011年1月12日 优先权日2011年1月12日
发明者刘伟, 蔡开元, 赵立蒙, 郑征 申请人:北京航空航天大学