帶通信約束的多無人機(jī)協(xié)同搜索中的目標(biāo)分配

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1、航空學(xué)報ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaMay252014V01．35No．51347—1356ISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．C13hkxb@buaa，edu，cn帶通信約束的多無人機(jī)協(xié)同搜索中的目標(biāo)分配符小衛(wèi)”，李建，高曉光西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安710129摘要：為了研究通信約束對多無人機(jī)(UAV)協(xié)同搜索中目標(biāo)分配任務(wù)的影響，提出了一種帶通信約束的多無人機(jī)協(xié)同搜索中的目標(biāo)分配方法，研究在通信約束條件下多無人

2、機(jī)在協(xié)同搜索中如何進(jìn)行目標(biāo)分配。首先，基于無人機(jī)數(shù)學(xué)模型和搜索模型，建立了目標(biāo)分配模型。其次，分析了通信約束條件，如通信距離限制、通信角度限制和通信時間延遲等對目標(biāo)分配的影響，限定多無人機(jī)在通信距離和角度范圍內(nèi)才能通信，使用蒙特卡羅法來驗證通信距離和角度對目標(biāo)分配的影響，同時采用基于狀態(tài)估計的無人機(jī)狀態(tài)信息補(bǔ)償方法來消除通信延遲的影響。仿真驗證了帶通信約束的多無人機(jī)協(xié)同搜索中的目標(biāo)分配方法的合理性。關(guān)鍵詞：多無人機(jī)；協(xié)同搜索；目標(biāo)分配；通信約束；蒙特卡羅方法中圈分類號：V279；TP2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000—

3、6893(2014)05—1347—10無人機(jī)(UAV)由于具有零傷亡、高機(jī)動性、隱身性能好、費用低等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于作戰(zhàn)環(huán)境中的搜索、偵察和打擊等任務(wù)。然而，面對日趨復(fù)雜的現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境，由于單架無人機(jī)的性能受到載荷等的限制，執(zhí)行對多目標(biāo)的作戰(zhàn)任務(wù)必須要多架無人機(jī)協(xié)同才能完成。多無人機(jī)能夠有效執(zhí)行對多目標(biāo)作戰(zhàn)任務(wù)的前提是多無人機(jī)之間能夠進(jìn)行有效的目標(biāo)分配，因而目標(biāo)分配問題成為多無人機(jī)協(xié)同控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。目標(biāo)分配是任務(wù)分配的一種特殊情況，Yan等口3使用一群異構(gòu)無人機(jī)對一群不同類型的El標(biāo)執(zhí)行搜索和打擊任務(wù)，通過集

4、中的任務(wù)狀態(tài)信息進(jìn)行分布式的任務(wù)分配。Sujit等凹1提出一種隊論(TeamThe—ory)方法來解決沒有通信的多無人機(jī)之間進(jìn)行目標(biāo)分配的問題。Zuo等口3使用一種改進(jìn)的遺傳算法來解決多無人機(jī)目標(biāo)分配問題。國內(nèi)也有學(xué)者應(yīng)用合同網(wǎng)[4]、滿意決策[5]、蟻群算法邸1等算法對多無人機(jī)目標(biāo)分配和任務(wù)分配問題進(jìn)行了求解。通信是多無人機(jī)實現(xiàn)協(xié)同的前提，能保證參與任務(wù)的無人機(jī)間可以進(jìn)行消息傳遞和數(shù)據(jù)交換，從而使多無人機(jī)能夠以最大的可能性完成任務(wù)。然而，由于通信設(shè)備和通信系統(tǒng)存在很多限制，比如機(jī)載通信設(shè)備體積有限、傳輸功率有限、通信

5、存在延時，會給無人機(jī)間通信造成很多限制，因而有必要研究通信約束條件對多無人機(jī)協(xié)同任務(wù)的影響，以及消除影響的方法。Sujit等口。研究了一種在通信距離限制下基于談判機(jī)制的多無人機(jī)任務(wù)分配方法，并與貪心算法進(jìn)行比較，從而驗證其有效性。Dionne和RabbathL81研究了一種在間歇式異步通信條件下的分散式的多無人機(jī)任務(wù)分配方法，使用任務(wù)分配階段的輸出來進(jìn)行通信決策。Ben—Asher等[9]研究了一種在通信帶寬和收稿Et期：2013—06．03；退修日期：2013-08—26；錄用日期：2013-12—23；網(wǎng)絡(luò)出版時間

6、：2014—01-1418：46網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／S1000—6893．20130501html基金項目：航空科學(xué)基金與航空電子系統(tǒng)綜合技術(shù)重點實驗室聯(lián)合資助項目(20125553030)*通訊作者Tel：029—88431260E—mail：fxw@nwpu．edu．cnB

7、用榕武lFuxw'LiJ．GaoxG。Targeta／Iocationinmulti-UAVcooperativesearchwithcommunicationconstraints[JJ．ActaA

8、eronauticaetAstronauticaSinica．2014．35(5)：1347-1356。符小衛(wèi)。李建，高曉光帶通信約束的多無人機(jī)協(xié)商搜索中的H標(biāo)分配￡JI．兢空學(xué)報，2014．35(5)：1347-1356．航空學(xué)報May252014V01．35No．5距離限制下的基于移動自組網(wǎng)的分布式多無人機(jī)目標(biāo)分配方法。Mirzaei等[1明研究了通信延遲下的多無人機(jī)協(xié)同搜索問題，使用隨機(jī)預(yù)測方法補(bǔ)償通信延遲對系統(tǒng)的影響。歐陽鍵等E113研究了非對稱衰落信道下的無人機(jī)中繼傳輸系統(tǒng)，提出了輸出信噪比最大化準(zhǔn)則下的波束

9、形成(BF)優(yōu)化方案。這些學(xué)者大多只是研究某一個或某兩個通信約束條件的影響，對通信約束的研究不夠全面；對通信時間延遲造成的信息不一致性研究不夠。本文主要研究的是多無人機(jī)在通信約束條件，如通信距離限制、角度限制和時間延遲等條件的約束下，如何在協(xié)同搜索中有效進(jìn)行目標(biāo)分配的問題。1問題描述使用多架相同類型的無人機(jī)對一片未知區(qū)域的若干個目