多無人機(jī)編隊(duì)在線協(xié)同航路規(guī)劃方法研究.pdf

1、伴隨著現(xiàn)代高新科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展和軍事政治需求的不斷增大，運(yùn)用多智能體路徑規(guī)劃算法開展多無人機(jī)編隊(duì)航路規(guī)劃研究，已成為近年來的研究熱點(diǎn)之一。目前，為提高現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性和生存能力，無人機(jī)尤為需要面對(duì)突發(fā)威脅的動(dòng)態(tài)航路規(guī)劃能力。人工勢(shì)場(chǎng)法作為一種常用的多智能體路徑規(guī)劃算法，具有實(shí)時(shí)性好、規(guī)劃速度快的特點(diǎn)。然而，其應(yīng)用于多無人機(jī)編隊(duì)航路規(guī)劃時(shí)，存在目標(biāo)不可達(dá)、易陷入局部極小值、無法維持編隊(duì)隊(duì)形和缺少航路評(píng)價(jià)機(jī)制等問題。本文針對(duì)這些問題，對(duì)傳統(tǒng)

2、人工勢(shì)場(chǎng)法進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種無人機(jī)航路規(guī)劃的分層勢(shì)場(chǎng)法，并將其用于多無人機(jī)編隊(duì)航路動(dòng)態(tài)規(guī)劃，開展了海戰(zhàn)環(huán)境下的多無人機(jī)編隊(duì)航路規(guī)劃數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　1．研究了戰(zhàn)場(chǎng)中威脅因素和環(huán)境因素的建模方法。該方法根據(jù)敵方航母編隊(duì)的防御體系，將多無人機(jī)編隊(duì)在線協(xié)同航路規(guī)劃過程中，存在的威脅因素歸納為探測(cè)威脅和火力威脅兩大類，同時(shí)考慮了戰(zhàn)場(chǎng)空間中的環(huán)境因素。為了方便驗(yàn)證所提出的航路規(guī)劃算法，對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，為多無

3、人機(jī)在海戰(zhàn)環(huán)境下的航路規(guī)劃仿真研究奠定了基礎(chǔ)。
　　2．在分析傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法模型的基礎(chǔ)上，提出了應(yīng)用于無人機(jī)航路規(guī)劃的改進(jìn)勢(shì)場(chǎng)法。通過采用分段原理對(duì)傳統(tǒng)的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)進(jìn)行修正，解決傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法的目標(biāo)不可達(dá)問題；通過在合力的計(jì)算中引入“回環(huán)力”，克服傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法易收斂到局部極小值的缺陷；通過在合力的計(jì)算中引入無人機(jī)間的作用力，解決無人機(jī)編隊(duì)飛行時(shí)的相互碰撞問題以及隊(duì)形無法維持問題。通過仿真驗(yàn)證經(jīng)過改進(jìn)的勢(shì)場(chǎng)法取得了良好的效果。

4、>　　3．在上述改進(jìn)的勢(shì)場(chǎng)法基礎(chǔ)上，引入航路評(píng)價(jià)機(jī)制，提出了應(yīng)用于無人機(jī)航路規(guī)劃的分層勢(shì)場(chǎng)法。以上述改進(jìn)的勢(shì)場(chǎng)法為核心，結(jié)合分層思想建立多層次多方位的航路點(diǎn)陣。將路徑最短和所受威脅最小作為目標(biāo)，把航路規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為多目標(biāo)優(yōu)化問題。為了便于求解，進(jìn)一步通過加權(quán)將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，折中選取權(quán)值從航路點(diǎn)陣中選取最佳航路點(diǎn)，最終生成航路彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法無法判別航路優(yōu)劣的缺陷。通過選取不同的目標(biāo)權(quán)值進(jìn)行數(shù)值仿真，驗(yàn)證了該方法的

5、有效性和可行性。同時(shí)，將傳統(tǒng)人工勢(shì)場(chǎng)法、改進(jìn)的勢(shì)場(chǎng)法和分層勢(shì)場(chǎng)法進(jìn)行對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果表明所提出的分層勢(shì)場(chǎng)法在航路規(guī)劃中具有明顯優(yōu)勢(shì)。該方法不但具有普遍適用性，還可以應(yīng)用于其他領(lǐng)域。
　　4．開展了海戰(zhàn)環(huán)境下的多無人機(jī)編隊(duì)航路規(guī)劃數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)?？紤]戰(zhàn)場(chǎng)中威脅因素和環(huán)境因素的影響，采用提出的分層勢(shì)場(chǎng)法對(duì)多無人機(jī)編隊(duì)進(jìn)行研究，分別開展在海戰(zhàn)環(huán)境下靜態(tài)協(xié)同航路規(guī)劃和在線協(xié)同航路規(guī)劃仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明分層勢(shì)場(chǎng)法能夠很好地適用于多無