本發(fā)明涉及人工智能和機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，具體涉及一種無信息條件下的多無人機協(xié)同搜索方法。

背景技術(shù)：

無人作戰(zhàn)系統(tǒng)因其在持久性、多功能性以及降低人身風(fēng)險方面的特有優(yōu)勢，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重要作用。目前大量使用的空中無人作戰(zhàn)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于情報、監(jiān)視與偵察、戰(zhàn)場感知等任務(wù)領(lǐng)域。其中，多架無人機(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)協(xié)同搜索成為戰(zhàn)場感知的重要手段。多UAV協(xié)同搜索就是要在有限的時間內(nèi)盡可能多的獲取整個搜索區(qū)域的信息，搜索到給定區(qū)域內(nèi)的來犯目標。由于戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜多變和各種不確定因素的影響，同時來犯目標的隱身性能增強，對未知目標的信息獲取難度增大，如何在少量先驗信息甚至無信息條件下實現(xiàn)目標搜索成為關(guān)鍵問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對多UAV廣域目標搜索問題，重點突破無信息條件下的多UAV協(xié)同搜索策略和搜索方法，為提高多UAV協(xié)同作戰(zhàn)效能提供理論依據(jù)和實際參考。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案是：

一種無信息條件下的多無人機協(xié)同搜索方法，包括區(qū)域分散布局和機動巡邏圍捕兩個階段；

所述區(qū)域分散布局是將搜索區(qū)域內(nèi)隨機位置處可供調(diào)動的若干架搜索UAV以近似相等的分散距離均布在預(yù)先設(shè)定的巡邏位置處，保證各UAV具有較小的初始分散距離差，各UAV在搜索區(qū)域內(nèi)分散運動，探測范圍不斷變化，各向均布的分散布局減小分散過程中的搜索重疊區(qū)域，保持動態(tài)的高覆蓋率，提高發(fā)現(xiàn)目標的成功率；

機動巡邏圍捕是在各UAV到達初始巡邏位置后，按照預(yù)先設(shè)定的巡邏路線向搜索區(qū)域中心近心螺旋運動，最大限度將目標鎖定在搜索區(qū)域內(nèi)；

無信息條件是指在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中，區(qū)域內(nèi)可調(diào)動的搜索UAV數(shù)量以及初始位置隨機設(shè)置，我方搜索UAV對來犯的敵方目標信息完全未知，包括目標屬性((靜態(tài)目標和動態(tài)目標)、數(shù)量和位置；

搜索UAV與敵方目標可分別描述為：

M＝{m₁,m₂,m₃…m_p}

T＝{T₁,T₂,T₃…T_r} (1)

其中，p、r為隨機自然數(shù)，分別表示搜索UAV與敵方目標的數(shù)量。以M和T為圓心，s為半徑的圓表示各UAV和敵方目標的探測范圍，s為視距。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述區(qū)域分散布局，目標是在最短時間內(nèi)將p個搜索UAV均布在最優(yōu)初始巡邏位置處，

最優(yōu)初始巡邏位置布置方式具體如下：

設(shè)置搜索UAV數(shù)量p＝3及其任意初始位置，靜態(tài)或動態(tài)目標數(shù)目r及其任意初始位置，視距s，邊界距離d，分散布局距離閾值l_threshold；

Step1：如附圖2所示，在目標可能出現(xiàn)的區(qū)域內(nèi)作巡邏位置⊙O，使得⊙O與正方形各邊距離均為d；

Step2：取正東方向Ox為起始軸，在⊙O上逆時針旋轉(zhuǎn)角度θ得到第一個初始巡邏位置m₁′，逆時針方向依次尋找第二、三個初始巡邏位置m₂′,m₃′，使得∠m₁′Om′₂＝∠m′₂Om′₃＝120°；

Step3：根據(jù)式(2)和式(3)篩選當前角度θ下最大距離差最小的情況j，使得

l_θi＝max(|l_θ1i-l_θ2i|,|l_θ1i-l_θ3i|,|l_θ2i-l_θ3i|) (3)

Step4:記3架UAV的分散布局距離分別為l_θ1＝l_θ1j,l_θ2＝l_θ2j,l_θ3＝l_θ3j，此時，分散布局距離差記為l_θ＝max(|l_θ1-l_θ2|,|l_θ1-l_θ3|,|l_θ2-l_θ3|)，分散布局距離和記為L_θ＝l_θ1+l_θ2+l_θ2；

Step5：θ＝θ+1°，若θ＜120°，則返回Step2，否則進入Step6；

Step6：在θ＝0°到119°所有的巡邏位置中初步篩選備選情況α，使得L_α＜l_threshold；

Step7：在所有的備選情況α中篩選最優(yōu)初始巡邏位置角度angle，使得此時角度angle對應(yīng)著三架UAV的最優(yōu)初始巡邏位置m₁”,m₂”,m₃”。

作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述機動巡邏圍捕是在各搜索UAV到達預(yù)期巡邏位置后，繞搜索區(qū)域中心作近心螺旋運動，動態(tài)搜索靜止或運動目標；定義表示各搜索UAV的巡邏路徑的阿基米德螺線極坐標方程為：

ρ＝aθ,a＞0 (4)

對應(yīng)直角坐標系中參數(shù)方程為：

x＝ρcosθ

y＝ρsinθ (5)

為了兼顧提高搜索效率和搜索成功率，設(shè)定螺旋線每一圈的極徑縮進量h＝2s，其中s為搜索UAV的視距，因此搜索巡邏圈數(shù)n、最大旋轉(zhuǎn)角度θ_max和最大極徑ρ_max分別為：

θ_max＝2πn

ρ_max＝R (6)

其中，R為初始巡邏圓半徑；

在極坐標方程(4)表示下，阿基米德螺線單位弧長(對應(yīng)于UAV搜索實際路徑長度)表示為：

由式(4)(7)可得出單位弧長Δs對應(yīng)的角度差Δθ為：

各搜索UAV按照設(shè)定的阿基米德螺線軌跡進行協(xié)同搜索，其視距范圍內(nèi)的目標即被判定為目標搜索成功，以協(xié)同搜索的成功率β以及搜索時間t為指標，定義成功率為：

其中，r為敵方目標的數(shù)量，r'為成功搜索到的目標數(shù)量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

突破無信息條件下的多UAV協(xié)同搜索策略和搜索方法，為提高多UAV協(xié)同作戰(zhàn)效能提供理論依據(jù)和實際參考，在少量先驗信息甚至無信息條件下實現(xiàn)目標搜索，在有限的時間內(nèi)盡可能多的獲取整個搜索區(qū)域的信息，搜索到給定區(qū)域內(nèi)的來犯目標。

附圖說明

圖1為多UAV協(xié)同搜索戰(zhàn)場態(tài)勢圖。

圖2為協(xié)同搜索第一階段區(qū)域分散布局策略示意圖。

圖3為協(xié)同搜索第二階段機動巡邏圍捕策略示意圖。

圖4為多UAV協(xié)同搜索方法驗證演示框架。

圖5為單個目標(靜態(tài)和動態(tài))下隨機搜索和協(xié)同搜索成功率。

圖6為單個目標(靜態(tài)和動態(tài))下隨機搜索和協(xié)同搜索時間。

圖7為多個目標(靜態(tài)和動態(tài))下隨機搜索和協(xié)同搜索成功率。

圖8為多個目標(靜態(tài)和動態(tài))下隨機搜索和協(xié)同搜索時間。

具體實施方式

本發(fā)明提出了一種無信息條件下的多無人機協(xié)同搜索方法，該方法流程分為區(qū)域分散布局和機動巡邏圍捕兩個階段，下面根據(jù)附圖2和附圖3對該搜索方法的具體實施方式進行詳細說明。

(1)區(qū)域分散布局

輸入：搜索UAV數(shù)量p＝3及其任意初始位置，靜態(tài)或動態(tài)目標數(shù)目r及其任意初始位置，視距s，邊界距離d，分散布局距離閾值l_threshold；

輸出：最優(yōu)初始巡邏位置{m₁”,m₂”,m₃”}；

Step1：如附圖2所示，在目標可能出現(xiàn)的區(qū)域內(nèi)(正方形)作巡邏位置⊙O，使得⊙O與正方形各邊距離均為d，令θ＝0°；

Step2：取正東方向Ox為起始軸，在⊙O上逆時針旋轉(zhuǎn)角度θ得到第一個初始巡邏位置m₁′，逆時針方向依次尋找第二、三個初始巡邏位置m₂′,m₃′，使得∠m₁′Om′₂＝∠m′₂Om′₃＝120°；

Step3：根據(jù)式(2)和式(3)篩選當前角度θ下最大距離差最小的情況j，使得

l_θi＝max(|l_θ1i-l_θ2i|,|l_θ1i-l_θ3i|,|l_θ2i-l_θ3i|) (3)

Step4:記3架UAV的分散布局距離分別為l_θ1＝l_θ1j,l_θ2＝l_θ2j,l_θ3＝l_θ3j，此時，分散布局距離差記為l_θ＝max(|l_θ1-l_θ2|,|l_θ1-l_θ3|,|l_θ2-l_θ3|)，分散布局距離和記為L_θ＝l_θ1+l_θ2+l_θ2；

Step5：θ＝θ+1°，若θ＜120°，則返回Step2，否則進入Step6；

Step6：在θ＝0°到119°所有的巡邏位置中初步篩選備選情況α，使得L_α＜l_threshold；

Step7：在所有的備選情況α中篩選最優(yōu)初始巡邏位置角度angle，使得此時角度angle對應(yīng)著三架UAV的最優(yōu)初始巡邏位置m₁”,m₂”,m₃”。

(2)機動巡邏圍捕

輸入：最優(yōu)初始巡邏位置{m₁”,m₂”,m₃”}；

輸出：協(xié)同搜索成功率β及其搜索時間t；

Step1：根據(jù)式(6)計算初始巡邏位置處的最大旋轉(zhuǎn)角度θ_max；

θ_max＝2πn

ρ_max＝R (6)

Step2：根據(jù)式(8)計算得到弧長為Δs時阿基米德螺線對應(yīng)的角度差Δθ；

Step3：由θ'＝θ-Δθ計算更新下一步巡邏位置處的巡邏角度θ'；

Step4:由式(4)計算下一步巡邏位置處的極徑長ρ'；

ρ＝aθ,a＞0 (4)

Step5:根據(jù)式(5)得到下一步巡邏位置處的直角坐標(x,y)，計算下一步巡邏位置與搜索區(qū)域中心點的距離dis；

x＝ρcosθ

y＝ρsinθ (5)

Step6：若dis＜Δs，轉(zhuǎn)Step7；否則轉(zhuǎn)Step2；

Step7：巡邏搜索結(jié)束，統(tǒng)計成功搜索到的目標數(shù)量r'及其搜索時間t，

并由式(9)計算搜索成功率β。

算例：

如附圖4所示，搜索范圍為100*100的方形區(qū)域，3架搜索UAV(黑色星號標記)協(xié)同搜索1個運動敵機目標(十字標記)，其外部圓表示各自的視距范圍，此處設(shè)置雙方視距相等；如圖3所示，敵機(動態(tài)目標)由隨機初始位置向區(qū)域內(nèi)隨機出現(xiàn)的攻擊目標(星號標記)前進，一旦到達攻擊目標，敵機則會向搜索區(qū)域中距其最近的邊界逃竄。我方搜索UAV則按照預(yù)先設(shè)定的區(qū)域分散布局、機動巡邏圍捕由隨機的初始位置開始搜索，在整個運動過程中，敵機出現(xiàn)在我方UAV視距范圍內(nèi)則搜索成功。

設(shè)置初始巡邏圓與搜索區(qū)域邊界的距離d＝0，初始巡邏圓半徑R＝50。算例測試了視距s從1到20遞增過程中協(xié)同搜索方法的搜索成功率及其時間，搜索成功率和搜索時間是針對100次搜索試驗統(tǒng)計計算得到的，其中，動態(tài)目標設(shè)置為10個，同時將本方法與隨機搜索方法結(jié)果進行比較，從而有效驗證本方法的優(yōu)越性。

以上實施例僅起到解釋本發(fā)明技術(shù)方案的作用，本發(fā)明所要求的保護范圍并不局限于上述實施例所述的實現(xiàn)系統(tǒng)和具體實施步驟。因此，僅對上述實施例中具體的公式及算法進行簡單替換，但其實質(zhì)內(nèi)容仍與本發(fā)明所述方法相一致的技術(shù)方案，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。