無(wú)人機(jī)組群巡檢滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD+SOLIDWORKS】
無(wú)人機(jī)組群巡檢滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD+SOLIDWORKS】,說(shuō)明書(shū)+CAD+SOLIDWORKS,無(wú)人,機(jī)組,巡檢,滅火,系統(tǒng),設(shè)計(jì),說(shuō)明書(shū),仿單,cad,solidworks
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
題 目： 無(wú)人機(jī)組群巡檢滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
姓 名：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師：
2016年5月28日
摘 要
隨著無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的環(huán)境日益復(fù)雜，任務(wù)類(lèi)型日益多樣，無(wú)人機(jī)己經(jīng)開(kāi)始
從單架次獨(dú)立任務(wù)的方式向著多架次、多類(lèi)型的機(jī)群作戰(zhàn)方向發(fā)展。通過(guò)對(duì)多無(wú)
人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配的研究，可以使系統(tǒng)完成的任務(wù)類(lèi)型更為多樣，同時(shí)任務(wù)完成
的質(zhì)量和效率也獲得較大程度的提高。
本文研究了集中式多類(lèi)型無(wú)人機(jī)編隊(duì)任務(wù)分配方法。集中式指的是任務(wù)分配
過(guò)程中，無(wú)人機(jī)處于從屬地位，不具有自主能力，完全受控制站中人的控制。多
類(lèi)型指的是無(wú)人機(jī)類(lèi)型和執(zhí)行能力的不同。
本文首先介紹了無(wú)人機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀，討論了幾種任務(wù)分配算法，分析了他們
的優(yōu)缺點(diǎn)。其次，在靜態(tài)環(huán)境下基于平面網(wǎng)格坐標(biāo)系，建立了一個(gè)多無(wú)人機(jī)任務(wù)
分配數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了一種有人參與的靜態(tài)分配算法。然后利用了一個(gè)無(wú)人機(jī)森林滅火的實(shí)例，通過(guò)MATLAB仿真和分析說(shuō)明了算法的可行性和實(shí)用性。最后，在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，根據(jù)無(wú)人機(jī)狀態(tài)改變和任務(wù)改變兩種情況，對(duì)動(dòng)態(tài)任務(wù)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)重分配。
關(guān)鍵字:無(wú)人機(jī)；任務(wù)分配；靜態(tài)分配；動(dòng)態(tài)重分配
Abstract
With the increasingly complex environment, the missions of the UAV grow variously. The operational manner of UAV changes from the independence towards the multi-way, more types of UAV. through the research of the assignation of the multi-type UAV, you can make the types of completed tasks more diversely and the quality and efficiency improved greatly.
This paper addresses the problem of task allocation in the centralized and multi-type UAV fleets. Centralized refers to in the task allocation process, UAV is in a
subordinate position, UAV do not have independent ability, completely under control
of human in control base. Multi-type UAV refers to the different abilities of UAV.
First of all, this paper introduces the present situation of the applications of UAV,
discussed some kinds of task allocation algorithms and analyzed their advantages and
disadvantages. What's more, in a static environment, based on the planar grid coordinate system, we set up a multi-UAV task allocation mathematical model and designed a Static allocation algorithm with humans attended. Then use an example of forest outfire to Show the feasibility and practicability of the algorithm by the simulation analysis of Matlab. Finally, according to two situations: UAV changed or tasks changed, the task allocation changes to dynamic redistribution, in dynamic environment.
Keywords: UAV ；Task allocation ；Static allocation ；Dynamic redistribution
目 錄
第一章 緒論 1
1.1任務(wù)分配的研究背景 2
1.2國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀 2
1.2.1應(yīng)用在軍事上 2
1.2.2應(yīng)用在自然災(zāi)害的防護(hù)上 3
1.3論文的主要內(nèi)容 4
第二章 無(wú)人機(jī)任務(wù)分配問(wèn)題研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 4
2.1無(wú)人機(jī)任務(wù)分配問(wèn)題的定義及解決步驟 4
2.1.1 UAV任務(wù)分配問(wèn)題的定義 5
2.1.2 UAV任務(wù)分配問(wèn)題的描述 5
2.1.3解決UAV任務(wù)分配問(wèn)題的步驟 5
2.2無(wú)人機(jī)任務(wù)分配控制方法 5
2.2.1集中式控制 5
2.2.2分布式控制 6
2.3無(wú)人機(jī)任務(wù)分配模型分類(lèi) 7
2.3.1多旅行商問(wèn)題模型 7
2.3.2通用分配問(wèn)題模型 8
2.3.3車(chē)輛路徑問(wèn)題模型 8
2.3.4混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃模型 9
2.3.5 CMTAP通用模型 9
2.4靜態(tài)任務(wù)分配算法 10
2.4.1群算法 10
2.4.2市場(chǎng)類(lèi)算法 11
2.4.3進(jìn)化理論算法 11
2.5動(dòng)態(tài)環(huán)境中多任務(wù)重分配算法 11
2.5.1合同網(wǎng)算法 11
2.5.2拍賣(mài)算法 12
II
2.5.3聚類(lèi)算法 12
第三章 靜態(tài)環(huán)境下無(wú)人機(jī)任務(wù)分配 12
3.1任務(wù)分配場(chǎng)景和限制條件 13
3.1.1任務(wù)分配的場(chǎng)景 14
3.1.2任務(wù)分配限制條件 14
3.2多無(wú)人機(jī)任務(wù)分配的數(shù)學(xué)模型 14
3.2.1無(wú)人機(jī)任務(wù)集描述 15
3.2.2平面網(wǎng)格坐標(biāo)系 16
第四章 動(dòng)態(tài)環(huán)境下無(wú)人機(jī)任務(wù)分配 17
4.1動(dòng)態(tài)任務(wù)重分配 18
4.1.1動(dòng)態(tài)任務(wù)重分配的觸發(fā)條件 18
4.1.2任務(wù)動(dòng)態(tài)再分配采用的策略 19
4.1.3任務(wù)重分配的流程 21
結(jié) 論 23
參考文獻(xiàn) 24
致 謝 25
第一章 緒論
1.1任務(wù)分配的研究背景
無(wú)人機(jī)(Uninhabited Aerial Vehicle, UAV)是指由遠(yuǎn)程遙控或自主控制操作的無(wú)人駕駛的飛機(jī)。采用無(wú)人駕駛的方式使飛機(jī)擺脫了駕駛員自身生理?xiàng)l件的限制，
能夠完成一般飛機(jī)不能完成的任務(wù)。無(wú)人機(jī)具有重量輕、維護(hù)成本低、機(jī)動(dòng)性能
高等明顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)無(wú)人駕駛的方式使操作人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的任務(wù)環(huán)境，極大地降
低了操作人員的危險(xiǎn)程度。
UAV協(xié)同任務(wù)規(guī)劃是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中提出的新課題。隨著無(wú)人機(jī)的出現(xiàn)，利用無(wú)
人機(jī)執(zhí)行任務(wù)逐步成為了現(xiàn)實(shí)，目前UAV協(xié)同任務(wù)規(guī)劃得到了越來(lái)越多的關(guān)注，
因?yàn)楸M管單無(wú)人機(jī)可以無(wú)需合作完成某個(gè)環(huán)境的搜索，但是一個(gè)更有效的搜索需
要合作來(lái)減少重復(fù)覆蓋，通常多無(wú)人機(jī)任務(wù)規(guī)劃可以分成兩大部分:上層的任務(wù)
分配(Task Assignment or Task Allocation)和下層的路徑規(guī)劃(Path Planning)，任務(wù)分配考慮各種約束條件，以總體任務(wù)有效達(dá)成為目標(biāo)，將具體目標(biāo)和行動(dòng)任務(wù)分配給各機(jī)，而各機(jī)根據(jù)分配的任務(wù)再進(jìn)行具體的作戰(zhàn)路徑規(guī)劃。路徑規(guī)劃的功能是在滿(mǎn)足如最大線(xiàn)性速度、最大轉(zhuǎn)角速度、操作的安全性、時(shí)間和環(huán)境變量等自身
或外部限制的前提下在一系列位置之間設(shè)計(jì)或生成路徑。本文我們主要討論UAV
任務(wù)分配問(wèn)題。
1.2國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀
1.2.1應(yīng)用在軍事上
UAV任務(wù)規(guī)劃技術(shù)主要還是應(yīng)用在軍事上。無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)((Uninhabited Combat
Aerial Vehicle, UCAV)指的是無(wú)人機(jī)攜帶武器或者彈藥，可對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行攻擊
和轟炸。在軍事發(fā)達(dá)國(guó)家，尤其美國(guó)、英國(guó)以及法國(guó)對(duì)無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)研究深入，美國(guó)對(duì)于無(wú)人機(jī)任務(wù)分配問(wèn)題在軍事上的研究最為深入，在上世紀(jì)70年代就開(kāi)始對(duì)無(wú)人機(jī)任務(wù)分配問(wèn)題進(jìn)行描述并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。在越南戰(zhàn)爭(zhēng)，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)以及北約空襲南斯拉夫等過(guò)往戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)人機(jī)經(jīng)常用于執(zhí)行一些人不能完成的軍事任務(wù)。在這些爭(zhēng)中雖然無(wú)人機(jī)不是主要執(zhí)行任務(wù)的飛機(jī)，但它卻成了決定戰(zhàn)爭(zhēng)導(dǎo)向的決定因素之一。由于無(wú)人機(jī)的無(wú)人駕駛特點(diǎn)，可以被派往危險(xiǎn)的環(huán)境中執(zhí)行一些人不能執(zhí)行的任務(wù)，因而成為重要的軍事力量受各國(guó)關(guān)住。無(wú)人機(jī)可以用來(lái)完成對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的偵察和監(jiān)視、對(duì)目標(biāo)位置的確定、任務(wù)目標(biāo)的評(píng)估、電子對(duì)抗等。無(wú)人機(jī)最早的開(kāi)發(fā)是在第一次世界大戰(zhàn)之后。和美國(guó)等西方國(guó)家相比，我國(guó)的無(wú)人機(jī)研究水平差距還是很大。雖然國(guó)內(nèi)從80年代末開(kāi)始，對(duì)路徑規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行過(guò)許多研究，發(fā)表了許多論文，但大多數(shù)的文獻(xiàn)僅僅是對(duì)單無(wú)人機(jī)所進(jìn)行的路徑規(guī)劃問(wèn)題的研究，目的是避開(kāi)無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中遇到的危險(xiǎn)區(qū)域，很少有關(guān)于無(wú)人機(jī)任務(wù)分配問(wèn)題解答的研究成果。當(dāng)前我們國(guó)家無(wú)人機(jī)反的研究還處在起步階段。由于我國(guó)的無(wú)人機(jī)功能簡(jiǎn)單，自主能力較差，需要地面控制站進(jìn)行任務(wù)分配的規(guī)劃。而當(dāng)前的無(wú)人機(jī)發(fā)展趨勢(shì)是無(wú)人機(jī)的智能化，將無(wú)人機(jī)看成一個(gè)個(gè)智能體，我國(guó)在這方面的研究成果很少。功能上也只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的圖像，數(shù)字傳輸，任務(wù)分配、路徑規(guī)劃的能力很差。尚不具備執(zhí)行復(fù)雜戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的能力。近年來(lái)我國(guó)的國(guó)防科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高等院校和科研單位在無(wú)人機(jī)任務(wù)分配問(wèn)題上也進(jìn)行了一些理論分析和實(shí)際問(wèn)題的研究，可以說(shuō)取得了不錯(cuò)的成就。但從現(xiàn)階段己經(jīng)得到的理論和實(shí)際成果來(lái)看，目前我國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)任務(wù)分配問(wèn)題的研究還處有很多不足和局限。例如無(wú)人機(jī)的自主性較差，無(wú)人機(jī)的決策大都是由地面控制站決定的。對(duì)于無(wú)人機(jī)所處的動(dòng)態(tài)環(huán)境考慮不足，無(wú)人機(jī)的尺寸、時(shí)間窗函數(shù)等考慮較少。
2.2應(yīng)用在自然災(zāi)害的防護(hù)上
和平和發(fā)展當(dāng)今世界的兩大主題，所以無(wú)人機(jī)的應(yīng)用也由軍用慢慢轉(zhuǎn)向民用。
其中最主要的民用用途是在自然災(zāi)害的防護(hù)上。2001年以來(lái)，世界各國(guó)都在大力
發(fā)展各種用途的無(wú)人飛行器。目前世界上32個(gè)國(guó)家己研制出了多種無(wú)人機(jī)。美國(guó)、
以色列、俄羅斯、北約等國(guó)家非常重視多用途無(wú)人機(jī)的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用。森林
火災(zāi)的現(xiàn)場(chǎng)溫度高，對(duì)飛機(jī)的抗熱性能高?，F(xiàn)場(chǎng)的煙塵大，能見(jiàn)度不高，盡管有
人飛機(jī)能飛至火場(chǎng)上課，飛機(jī)中的人也不能清除地了解火場(chǎng)當(dāng)前的具體情況。這時(shí)無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)在無(wú)人機(jī)上配置攝像機(jī)和數(shù)字圖像傳輸設(shè)備，可輕易完成對(duì)火場(chǎng)的偵察，滅火和滅火評(píng)估。美國(guó)航天局最新研制的無(wú)人滅火機(jī)“工khana"。這款無(wú)人滅火機(jī)由“捕食者B" (Predator B)改進(jìn)而來(lái)。“捕食者B”原本是美國(guó)空軍用于戰(zhàn)時(shí)監(jiān)視和偵察的，現(xiàn)在它的改進(jìn)版“工khana”被用作另一個(gè)領(lǐng)域，那就是森林滅火。在火場(chǎng)中，由于火勢(shì)的動(dòng)態(tài)性和不確定性以及協(xié)同控制的復(fù)雜性，使得任務(wù)開(kāi)始后出現(xiàn)許多無(wú)法預(yù)料的情況，必須根據(jù)火場(chǎng)火勢(shì)和編隊(duì)狀態(tài)的變化快速調(diào)整UAV編隊(duì)的任務(wù)計(jì)劃，通過(guò)動(dòng)態(tài)重調(diào)度實(shí)現(xiàn)任務(wù)的重分配。
1.3論文的主要內(nèi)容
無(wú)人機(jī)如何在復(fù)雜的環(huán)境中順利地完成所需執(zhí)行的任務(wù)，并且能夠使得任務(wù)執(zhí)行的效率最高，收獲的利益最大，付出的代價(jià)最小，是多無(wú)人機(jī)任務(wù)分配所要考慮的問(wèn)題。本文的主要工作是通過(guò)對(duì)各種任務(wù)分配算法的研究，引出了一種有人參與的多無(wú)人機(jī)任務(wù)分配算法并進(jìn)行了理論研究和仿真分析。主要步驟是:首先建立了一個(gè)任務(wù)分配在森林火災(zāi)防護(hù)的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)置了關(guān)于實(shí)際問(wèn)題的限制條件，然后建立了一個(gè)基于六元組的任務(wù)描述，使用了平面網(wǎng)格坐標(biāo)系對(duì)任務(wù)分配問(wèn)題進(jìn)行建模，在以上的基礎(chǔ)了最后利用了一個(gè)無(wú)人機(jī)森林滅火的實(shí)例，通過(guò)MATLAB仿真結(jié)合算法說(shuō)明了該算法的可行性和實(shí)用性。因?yàn)闊o(wú)人機(jī)任務(wù)分配所處環(huán)境是動(dòng)態(tài)的，所以對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境下無(wú)人機(jī)任務(wù)重分配問(wèn)題也進(jìn)行了一些算法研究和實(shí)例分析。
第二章 無(wú)人機(jī)任務(wù)分配問(wèn)題研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
2.1無(wú)人機(jī)任務(wù)分配問(wèn)題的定義及解決步驟
2.1.1 UAV任務(wù)分配問(wèn)題的定義
UAV任務(wù)分配問(wèn)題可以定義為:在己經(jīng)完成UAV編隊(duì)分組的基礎(chǔ)上，基于一定的環(huán)境和任務(wù)要求，為編隊(duì)中的UAV分配一個(gè)或多個(gè)有序任務(wù)，以便在完成最大可能任務(wù)的同時(shí)，使得UAV編隊(duì)的整體效率最高。
我們結(jié)合圖2. 1這個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)直觀地了解任務(wù)分配問(wèn)題的具體含義:首先設(shè)置了任務(wù)集和無(wú)人機(jī)集:其中包含了四個(gè)待執(zhí)行任務(wù)，無(wú)人機(jī)編隊(duì)由兩架無(wú)人機(jī)組成。然后設(shè)計(jì)具體的路徑和任務(wù)執(zhí)行順序來(lái)完成所設(shè)定的四個(gè)任務(wù)。圖中每個(gè)帶箭頭直線(xiàn)上的數(shù)字表示無(wú)人機(jī)在該段航路上所花費(fèi)的時(shí)間，四個(gè)任務(wù)用四個(gè)圓圈來(lái)表示。圓圈中上半部分的數(shù)字表示的無(wú)人機(jī)任務(wù)集中任務(wù)的序號(hào)，下半部分的數(shù)字表示完成這個(gè)任務(wù)需要的具體時(shí)間。最后虛實(shí)線(xiàn)表示的是任務(wù)分配的具體的方案。無(wú)人機(jī)分別沿著制定的虛線(xiàn)完成四個(gè)所設(shè)定的任務(wù)，通過(guò)這種方法，花費(fèi)時(shí)間要明顯小于單架無(wú)人機(jī)。
2.1.2 UAV任務(wù)分配問(wèn)題的描述
給定一個(gè)UAV編隊(duì)U，它包含數(shù)目為N二的無(wú)人機(jī)。
2.1.3解決UAV任務(wù)分配問(wèn)題的步驟
無(wú)人機(jī)任務(wù)分配方法的求解主要分為兩方面:任務(wù)分配模型的建立以及具體
的任務(wù)分配算法的設(shè)計(jì):
(1) UAV任務(wù)分配的數(shù)學(xué)模型的建立
要對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，首先要對(duì)無(wú)人機(jī)所處的空間環(huán)境進(jìn)行描述和表達(dá)。通常我們以一個(gè)二維或者三維的變量來(lái)定義一個(gè)無(wú)人機(jī)和目標(biāo)點(diǎn)的位置，為簡(jiǎn)便，一般采用二維變量。得到了無(wú)人機(jī)和目標(biāo)點(diǎn)的位置，就能得到任一無(wú)人機(jī)的任務(wù)
執(zhí)行路線(xiàn)。然后我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)二值決策變量，如果無(wú)人機(jī)完成某個(gè)任務(wù)，二值變
量就為1，如果不完成那個(gè)任務(wù)，二值變量就為0。然后要設(shè)定無(wú)人機(jī)任務(wù)分配的
約束條件，如無(wú)人機(jī)最大航程、任務(wù)時(shí)間窗約束、任務(wù)執(zhí)行的先后順序、無(wú)人機(jī)
的載荷等。
2.2無(wú)人機(jī)任務(wù)分配控制方法
由于無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)環(huán)境是動(dòng)態(tài)的，不是固定不變的，所以無(wú)人機(jī)的任務(wù)分配控制方法也應(yīng)該根據(jù)不同的任務(wù)環(huán)境而區(qū)別對(duì)待。無(wú)人機(jī)任務(wù)分配控制方法選取對(duì)無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的效率和質(zhì)量有很大關(guān)系。任務(wù)分配控制方法的選取應(yīng)該考慮以下幾個(gè)因素:任務(wù)完成的快速性，任務(wù)的實(shí)時(shí)性，任務(wù)分配的計(jì)算時(shí)間和計(jì)算復(fù)雜度，抗干擾能力等。無(wú)人機(jī)任務(wù)分配控制方法主要可以分為集中式控制(Centralized Control)以及分布式控制(Distributed Control)這兩種。
2.2.1集中式控制
在集中式控制方法中，由地面控制站中的操作人員制定任務(wù)分配方案和無(wú)人機(jī)
具體的飛行航路，無(wú)人機(jī)本身不具備決策能力，完全按照地面控制站發(fā)出的任務(wù)指令和航路執(zhí)行任務(wù)。圖2.2表示了集中式體系結(jié)構(gòu)圖:
2.2.2分布式控制
區(qū)別于集中式控制方法，分布式控制方法中無(wú)人機(jī)編隊(duì)中或者無(wú)人機(jī)編隊(duì)之間的無(wú)人機(jī)是具有獨(dú)自決策能力的智能體，它們具有很強(qiáng)的協(xié)同能力和自治性。無(wú)人機(jī)之間以數(shù)據(jù)鏈技術(shù)為支撐，對(duì)無(wú)人機(jī)所處環(huán)境，任務(wù)目標(biāo)集信息，無(wú)人機(jī)狀態(tài)信息進(jìn)行交互，綜合考慮各種因素，提出具體的解決任務(wù)分配問(wèn)題的方案和具體步驟。較之于集中式控制方法，無(wú)人機(jī)個(gè)體在分布式控制方法下具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，抗干擾能力，計(jì)算量小，計(jì)算復(fù)雜度小等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前，分布式控制方法主要可以分為兩種:完全分布式控制方法和部分分布式控制方法。
(1)完全分布式控制
完全分布式控制方法是一種依靠無(wú)人機(jī)的自主性和相互協(xié)作的一種方法，由于無(wú)人機(jī)任務(wù)分配問(wèn)題的復(fù)雜性，該方法相當(dāng)于將復(fù)雜的問(wèn)題分解成為一個(gè)個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的小問(wèn)題，對(duì)每架無(wú)人機(jī)進(jìn)行任務(wù)分配，接著就是將各個(gè)無(wú)人機(jī)的信息進(jìn)行交互，對(duì)任務(wù)進(jìn)行整體求解。如圖2. 3所示，完全分布式控制方法中我們把無(wú)人機(jī)看成具有決策能力的智能體，這樣無(wú)人機(jī)任務(wù)分配問(wèn)題就轉(zhuǎn)化成為各個(gè)智能體之間任務(wù)的分配和決策。在這種結(jié)構(gòu)中，無(wú)人機(jī)相對(duì)于集中式控制有很強(qiáng)的自主性，能夠?qū)θ蝿?wù)集信息和自身的信息進(jìn)行采集和分析，并進(jìn)行決策，在特定的情況下通過(guò)數(shù)據(jù)鏈與其它無(wú)人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，協(xié)作完成所需執(zhí)行的任務(wù)。
圖2.3完全分布式控制結(jié)構(gòu)圖
這種控制方法中，無(wú)人機(jī)編隊(duì)內(nèi)各個(gè)無(wú)人機(jī)對(duì)所得到的信息進(jìn)行相互的共享，得到所有的關(guān)于任務(wù)執(zhí)行的信息，最后整理分析所得到的信息對(duì)無(wú)人機(jī)編隊(duì)中的每一架任務(wù)分配任務(wù)集。由于無(wú)人機(jī)編隊(duì)中有多架無(wú)人機(jī)，在執(zhí)行任務(wù)中可能發(fā)生交叉沖突，即碰撞沖突，所以需要對(duì)它們進(jìn)行考慮并消除。同時(shí)在這種控制方法中，無(wú)人機(jī)之間是通過(guò)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)進(jìn)行任務(wù)集數(shù)據(jù)的傳輸和共享，為的是更好的具有任務(wù)決策的實(shí)時(shí)性，所以數(shù)據(jù)量是相當(dāng)大的，將隨著編隊(duì)內(nèi)無(wú)人機(jī)的數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)。所以應(yīng)用這種控制方法，編隊(duì)內(nèi)無(wú)人機(jī)的個(gè)數(shù)受到了很大的限制。
(2)部分分布式控制
部分分布式控制方法吸取了無(wú)人機(jī)任務(wù)分配控制方法中集中式控制和完全分布式控制方法各自的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于解決多類(lèi)型無(wú)人機(jī)編隊(duì)任務(wù)分配問(wèn)題更為合理。經(jīng)過(guò)對(duì)集中式控制方法和分布式控制方法的比較，我們得出分布是控制方法是一種實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的方法，能夠快速的對(duì)任務(wù)信息進(jìn)行采集和分析，得到解決任務(wù)分配問(wèn)題的具體方案，獲得的方案往往是局部最優(yōu)的，但不能得到全局最優(yōu)方案。而集中式控制方法恰恰相反，由于所有信息都要返回地面控制站進(jìn)行匯總，所有能夠進(jìn)行全面而詳細(xì)的規(guī)劃，從而獲得的方案一般都是全局最優(yōu)方案，但是實(shí)時(shí)性就很差啦。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外很多院校和科研機(jī)構(gòu)對(duì)集中式控制和分布式控制方法結(jié)合的問(wèn)題進(jìn)行了理論分析和實(shí)際驗(yàn)證，對(duì)兩種方法進(jìn)行了整合，得到了部分分布式控制方法，結(jié)構(gòu)圖如圖2. 4所示。
2.3無(wú)人機(jī)任務(wù)分配模型分類(lèi)
根據(jù)任務(wù)分配建模分類(lèi)，現(xiàn)階段的模型主要有多旅行商問(wèn)題[}2}(MultipleTraveling Sa-lesman Problem, MTSP)模型，通用分配問(wèn)題[3}(Generalized AssignmentProblem, GAP)模型，車(chē)輛路徑問(wèn)題[4}(Vehicle Routing Problem, VRP)模型，混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃[s},}6},}}},}s},}9}(Mixed Integer Linear Programming, MILP)模型以及CMTAP(Cooperative Multiple Task Assignment Problem)模型。
2.3.1多旅行商問(wèn)題模型
通常，我們所說(shuō)的旅行商問(wèn)題是一個(gè)NP完全問(wèn)題，具的定義如下:假設(shè)有a個(gè)旅行商人，方個(gè)城市，每個(gè)旅行商人都要沿著城市之間的道路訪(fǎng)問(wèn)其中的一些城市，最后所有的旅行商人都要返回初始的城市，限制每個(gè)城市都要被訪(fǎng)問(wèn)并且有且僅有一次，問(wèn)題所要達(dá)到的目的是在完成對(duì)所有城市訪(fǎng)問(wèn)的同時(shí)，總距離最短、完成任務(wù)時(shí)間最短、消耗最小、收益最大等。把旅行上問(wèn)題模型應(yīng)用到無(wú)人機(jī)任務(wù)分配中去，我們假設(shè)有一個(gè)二架無(wú)人機(jī)的無(wú)人機(jī)編隊(duì)，有二個(gè)目標(biāo)任務(wù)的任務(wù)集，無(wú)人機(jī)編隊(duì)從同一個(gè)基地出發(fā)，沿著預(yù)先設(shè)定的飛行航路，完成所有的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)只能被完成一次，最后考慮無(wú)人機(jī)的總航程，無(wú)人機(jī)完成任務(wù)的時(shí)間，無(wú)人機(jī)消耗的能力，完成任務(wù)的價(jià)值利益等。
2.3.2通用分配問(wèn)題模型
通用分配問(wèn)題模型考慮將二個(gè)任務(wù)分配給二個(gè)單體，每個(gè)任務(wù)只能給一個(gè)單體并且單體的資源受到限制。相當(dāng)于二個(gè)任務(wù)分配給給一個(gè)無(wú)人機(jī)執(zhí)行并且無(wú)人機(jī)的資源，如最大任務(wù)數(shù)，二個(gè)無(wú)人機(jī)，每個(gè)任務(wù)只能最大航程受到限制。
2.3 3車(chē)輛路徑問(wèn)題模型
我們對(duì)車(chē)輛路徑模型進(jìn)行如下描述:假設(shè)有二輛貨車(chē)，每輛車(chē)的負(fù)載能力不同，它們從同一個(gè)基地出發(fā)，為二個(gè)目標(biāo)點(diǎn)輸送貨物，每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)需要送達(dá)的貨物數(shù)量不同。最后，所有貨車(chē)回到出發(fā)點(diǎn)。車(chē)輛路徑問(wèn)題模型[yo]要考慮送達(dá)的時(shí)間，貨物送達(dá)的消耗，完成輸送的價(jià)值等，并保證所有的貨物安全送達(dá)。
2.3.4混合整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃模型
混合整數(shù)線(xiàn)性利用線(xiàn)性化函數(shù)建立模型，模型描述簡(jiǎn)潔、直接，有助于提高無(wú)人機(jī)任務(wù)執(zhí)行效率和生存能力，達(dá)到了任務(wù)分配的目的和初衷而且可以通過(guò)對(duì)約束條件的修正來(lái)滿(mǎn)足實(shí)際問(wèn)題需要，但是模型規(guī)模不能過(guò)大。問(wèn)題規(guī)模過(guò)大將導(dǎo)致計(jì)算量指數(shù)型增長(zhǎng)，任務(wù)分配的實(shí)時(shí)性得不到保證。
2.3.5 CMTAP通用模型
隨著無(wú)人機(jī)能力不斷增強(qiáng)，無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的復(fù)雜程度也隨之增強(qiáng)，不同任務(wù)之間存在著復(fù)雜的時(shí)序以及時(shí)間約束。對(duì)于這一類(lèi)復(fù)雜的任務(wù)集合，目前大多數(shù)任務(wù)分配模型無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效的描述。一種CMTAP模型「川被引出，這種模型充分考慮一組無(wú)人機(jī)完成一系列針對(duì)地面目標(biāo)的連貫任務(wù)，包括任務(wù)目標(biāo)的識(shí)別、攻擊、毀傷評(píng)估等。
2.4靜態(tài)任務(wù)分配算法
在靜態(tài)環(huán)境中，無(wú)人機(jī)和任務(wù)都是確定的，不發(fā)生改變。在這樣的條件下，多無(wú)人機(jī)任務(wù)分配的算法主要有:群算法，市場(chǎng)機(jī)制算法和進(jìn)化算法。
2.4.1群算法
群算法主要模仿自然界中各種生物的群體化行為，例如蟲(chóng)群「12]和羊群。我們通過(guò)對(duì)蟲(chóng)群群體化行為就行具體的研究分析，從而來(lái)簡(jiǎn)單說(shuō)明群算法的具體特點(diǎn):所謂的昆蟲(chóng)群的群體行動(dòng)指的是昆蟲(chóng)個(gè)體根據(jù)一些規(guī)律進(jìn)行個(gè)別的運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致整個(gè)群體顯現(xiàn)出一種運(yùn)動(dòng)規(guī)則，在運(yùn)動(dòng)中昆蟲(chóng)主要遵循三個(gè)準(zhǔn)則:第一，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鄰近個(gè)體距離，防止產(chǎn)生交叉沖突，即防止和其它個(gè)體產(chǎn)生碰撞;第二，采集鄰近個(gè)體的信息，如速度，位置等;第三，保證和其它昆蟲(chóng)的距離，不能太遠(yuǎn)，而脫離群體。昆蟲(chóng)以上的這些行為都是個(gè)體的行為，不是群體的運(yùn)動(dòng)，不過(guò)所有的個(gè)體都執(zhí)行這些準(zhǔn)則，就會(huì)產(chǎn)生整體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。群算法中目前為止最為經(jīng)典就是蟻群算法[13],[14],[15],[16] (Ant Colony Optimization) , 1991年，意大利科學(xué)家Dorigo首先在其發(fā)表的研究成果中提到了蟻群算法。圖2.5可簡(jiǎn)單說(shuō)明蟻群算法的基本原理。
2.5蟻群算法原理圖
如圖所示，a點(diǎn)表示的是螞蟻的巢穴位置，別點(diǎn)表示的是食物的位置，有兩條路徑在巢穴和食物之間。假定有兩組數(shù)目相同的螞蟻同時(shí)由a點(diǎn)出發(fā)，沿著兩條路徑分別向著方點(diǎn)前進(jìn)，剛開(kāi)始沿著兩條路徑的概率是相等的，均為二分之一，設(shè)定螞蟻爬行的速度相同，螞蟻單位時(shí)間分泌的激素量相同。螞蟻就這樣往復(fù)的在這兩條路徑上來(lái)回搬運(yùn)食物，但是由于路徑二明顯長(zhǎng)于路徑一，所以路徑二上的激素的濃度將會(huì)明顯小于路徑一上的激素的濃度。由于路徑二的上的激素濃度較大，螞蟻就會(huì)越來(lái)越偏向于向路徑二前進(jìn)，這樣在路徑一上留下來(lái)的激素也越來(lái)越多，激素的濃度不斷增加，直到最后，幾乎所有螞蟻都會(huì)沿著路徑一前進(jìn)去尋找食物，這樣大大提高了螞蟻搬運(yùn)食物的效率。
2.4.2市場(chǎng)類(lèi)算法
市場(chǎng)中有許許多多的客戶(hù)，每個(gè)客戶(hù)依據(jù)自己的投資能力和預(yù)期效益而對(duì)市場(chǎng)中的項(xiàng)目進(jìn)行投資，個(gè)別的客戶(hù)個(gè)體無(wú)法改變整個(gè)市場(chǎng)的走勢(shì)，但是把所有的客戶(hù)看作一個(gè)統(tǒng)一的大集合，就可以通過(guò)投資對(duì)整個(gè)的市場(chǎng)的走勢(shì)產(chǎn)生決定性的作用，即市場(chǎng)的發(fā)展或者是市場(chǎng)的消退。市場(chǎng)類(lèi)算法把市場(chǎng)中的每個(gè)客戶(hù)可以看作智能體，在無(wú)人機(jī)的任務(wù)分配方法研究中得到了很廣泛的應(yīng)用。Czil介紹了一種包含談判機(jī)制的市場(chǎng)類(lèi)算法，無(wú)人機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)相互傳遞信息，協(xié)商得出任務(wù)分配方案。在該類(lèi)算法中，每架無(wú)人機(jī)完成一個(gè)任務(wù)都會(huì)產(chǎn)生收益，但是執(zhí)行時(shí)會(huì)消耗無(wú)人機(jī)的能力。得到與損失的差額就是無(wú)人機(jī)完成任務(wù)的利益，每架無(wú)人機(jī)都為了利益最大化而執(zhí)行任務(wù)。
2.4.3進(jìn)化理論算法
最后一大類(lèi)靜態(tài)任務(wù)分配算法是進(jìn)化理論算法，該算法的理論依據(jù)是仿照自然界中生物種群進(jìn)化，以?xún)?yōu)勝劣汰的進(jìn)化原則，將相對(duì)優(yōu)秀的生物個(gè)體保留下來(lái)，而相對(duì)差點(diǎn)的個(gè)體剔除出種群。遺傳算法是這一大類(lèi)算法中使用最多，最為有名的算法。1975年，美國(guó)密歇根大學(xué)的教授首次在研究成果中提到了遺傳算法，之后，全世界很多國(guó)家的科研工作者對(duì)遺傳算法進(jìn)行了理論研究和實(shí)際應(yīng)用。遺傳算法仿照生物進(jìn)化理論，才有染色體編碼方式進(jìn)行任務(wù)分配方法的最優(yōu)化選擇。遺傳算法以決策變量的編碼作為運(yùn)算對(duì)象，傳統(tǒng)的優(yōu)化算法往往直接采用決策變量的實(shí)際值，這是它的一個(gè)很大的特點(diǎn)?；赨AV多任務(wù)協(xié)同分配問(wèn)題特定染色體編碼方式，遺傳算法采用兩種進(jìn)化操作:選擇操作和交叉操作。有研究者在傳統(tǒng)的遺傳算法中使用鄰域搜索算法[m?；卩徲蛩阉髟?，運(yùn)用對(duì)稱(chēng)群結(jié)構(gòu)描述UAV任務(wù)分配的搜索空間，運(yùn)用右乘運(yùn)算構(gòu)造搜索鄰域，結(jié)禁忌搜索。相對(duì)于傳統(tǒng)遺傳算法、爬山能力強(qiáng)和全局迭代尋優(yōu)，易找到全局最優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了基于對(duì)稱(chēng)群計(jì)算的UAV任務(wù)分配算法。
基于UAV任務(wù)分配問(wèn)題特定的染色體編碼方式和適應(yīng)度函數(shù)，本文采用如下
的進(jìn)化操作:
(1)選擇操作
進(jìn)化算法的選擇是建立在對(duì)個(gè)體適應(yīng)度的評(píng)價(jià)基礎(chǔ)之上的，本文采用經(jīng)典的比例選擇算子來(lái)實(shí)現(xiàn)該操作來(lái)實(shí)現(xiàn)該操作。比例選擇是一種有退還的隨機(jī)采樣方法，其基本思想是:每個(gè)個(gè)體中被選的概率與其適應(yīng)度大小成正比，其具體的執(zhí)行過(guò)程如下
a.計(jì)算出種群中每一個(gè)個(gè)體的評(píng)價(jià)函數(shù)的值的，得到它們的總和;
b.分別計(jì)算總?cè)棺觽€(gè)體評(píng)價(jià)函數(shù)值的相對(duì)值，即各個(gè)個(gè)體被選中作為父代遺傳
到下一子代的概率;
c.再使用類(lèi)似賭博輪盤(pán)的操作(即產(chǎn)生0-1之間的隨機(jī)數(shù))，從而分別確定每
個(gè)個(gè)體被選中遺傳到下一代的概率。
(2)交叉操作
本文采用的交叉操作使用的是EA-PMX算法中的PMX交叉算子。UAV任務(wù)分配問(wèn)題對(duì)交叉算子的設(shè)計(jì)要求是:對(duì)任意兩條染色體進(jìn)行交叉操作后，能得到兩天新的，且具有實(shí)際意義的染色體序列。部分交叉映射(Partially MappedCrossover, PMX)算子是一種常見(jiàn)的交叉算子。
PMX算子的主要思想是:整個(gè)交叉過(guò)程分兩步完成，首先對(duì)個(gè)體編碼進(jìn)行常規(guī)的雙點(diǎn)交叉操作，然后根據(jù)交叉區(qū)域內(nèi)各基因值得映射關(guān)系來(lái)修改交叉區(qū)域之外的各基因座的基因值，按照染色體的編碼，種群中的任一染色體表示為T(mén)=(tl,tZ,...tn)。
2.5動(dòng)態(tài)環(huán)境中多任務(wù)重分配算法
在具體環(huán)境中，由于環(huán)境的動(dòng)態(tài)性和不確定性以及協(xié)同控制的復(fù)雜性，使得任務(wù)開(kāi)始后會(huì)出現(xiàn)許多無(wú)法預(yù)料的情況，因此，必須根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和編隊(duì)狀態(tài)的變化快速調(diào)整UAV編隊(duì)的任務(wù)計(jì)劃，通過(guò)動(dòng)態(tài)重調(diào)度實(shí)現(xiàn)UAV之間的任務(wù)重分配，以真正適應(yīng)復(fù)雜的作戰(zhàn)環(huán)境。因此，我們更多的使用到的是動(dòng)態(tài)分配算法。UAV任務(wù)再分配的一般策略整個(gè)編隊(duì)的完全再分配局部調(diào)整分組基礎(chǔ)上的再分配。動(dòng)態(tài)任務(wù)分配算法主要有:合同網(wǎng)算法、拍賣(mài)算法、聚類(lèi)算法。
2.5.1合同網(wǎng)算法
為了更好的解釋合同網(wǎng)的概念，我們首先簡(jiǎn)要介紹下什么是Agent智能體)。通常我們認(rèn)為:Agent主要應(yīng)用于動(dòng)態(tài)環(huán)境中，他具有先進(jìn)的設(shè)備，如傳感器，高性能機(jī)載電腦，先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)等，實(shí)時(shí)獲取自身的狀態(tài)信息，如形態(tài)，位置，負(fù)載等;任務(wù)集信息，如目標(biāo)位置，目標(biāo)數(shù)量，任務(wù)目標(biāo)價(jià)值以及周?chē)沫h(huán)境信息。通過(guò)對(duì)這些信息的總結(jié)，分析，與其他無(wú)人機(jī)進(jìn)行信息共享交互，制定出任務(wù)分配方案并執(zhí)行。它具有高度的自治性和行動(dòng)力，在分布式控制中被廣泛地應(yīng)用。合同網(wǎng)一般有三大類(lèi)任務(wù)執(zhí)行角色:招標(biāo)者，投標(biāo)者，中標(biāo)者。
我們對(duì)合同網(wǎng)的一般理解為:首先是任務(wù)招標(biāo)者有任務(wù)需要其他任務(wù)執(zhí)行者的能力來(lái)完成所需完成的任務(wù)，因此招標(biāo)者就會(huì)向投標(biāo)者通過(guò)信息交互發(fā)布任務(wù)請(qǐng)求，即所謂的招標(biāo)行為;接著收到任務(wù)信息的投標(biāo)者們先是評(píng)估自己的執(zhí)行能力和想要得到的收益，給出自己的投標(biāo)值，即所謂的投標(biāo)行為;最后招標(biāo)者，整理分析投標(biāo)者給出的投標(biāo)值，遴選出最適合完成任務(wù)的投標(biāo)者作為中標(biāo)者。如下
圖表示了一個(gè)合同網(wǎng)方法的簡(jiǎn)單框圖:
圖2.7
我們將合同網(wǎng)算法的具體步驟總結(jié)如下:
(1)招標(biāo)者傳送任務(wù)信息給投標(biāo)者，包括任務(wù)數(shù)量，任務(wù)完成期限等;
(2)投標(biāo)者對(duì)招標(biāo)者傳送的任務(wù)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)自己感興趣的任務(wù)進(jìn)
行投標(biāo)成為投標(biāo)者;
(3)管理Agent在一定的時(shí)間段內(nèi)對(duì)所收集的應(yīng)標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果
向其滿(mǎn)意的投標(biāo)者分配任務(wù);
(4)任務(wù)執(zhí)行Agent確認(rèn)該任務(wù)分配者提出的合同完成分配，形成承諾監(jiān)督
關(guān)系。
2.5.2拍賣(mài)算法
拍賣(mài)算法[ass]是在動(dòng)態(tài)環(huán)境中分布式控制方法分配任務(wù)方法的又一種重要方法。拍賣(mài)法算法模擬具體的拍賣(mài)過(guò)程，在拍賣(mài)過(guò)程中各個(gè)智能體計(jì)算每一個(gè)任務(wù)的收益，消耗的能力，評(píng)價(jià)函數(shù)等。拍賣(mài)算法首先給出一個(gè)拍賣(mài)的具體先后次序，各個(gè)智能體按照次序去完成自己拍賣(mài)得到的任務(wù)集，最后得到整體的任務(wù)分配方案。在智能體能力范圍和約束條件之內(nèi)，拍賣(mài)法重新給出一個(gè)拍賣(mài)次序進(jìn)行又一次的拍賣(mài)，根據(jù)評(píng)價(jià)函數(shù)評(píng)價(jià)新方案和舊方案，將較優(yōu)的方案留下來(lái)，如此周而往復(fù)，得到較好的解。
對(duì)于動(dòng)態(tài)環(huán)境無(wú)人機(jī)任務(wù)分配方法中，我們主要關(guān)心的還是算法的實(shí)時(shí)性，算法的實(shí)時(shí)性不是說(shuō)完成任務(wù)的時(shí)間越短越好，而是當(dāng)任務(wù)環(huán)境改變的時(shí)候，包括任務(wù)集的改變和無(wú)人機(jī)集的改變，能夠快速的給出新的分配方案。而拍賣(mài)算法恰恰具有這種能力。
2.5.3聚類(lèi)算法
聚類(lèi)算法[[22],[23]主要研究的是如何根據(jù)目標(biāo)位置、功能等屬性值將其分若干類(lèi)別，以揭示目標(biāo)之間的相互關(guān)系和差別，使得一個(gè)類(lèi)別中的對(duì)象樣本有較高的相似度，而不同類(lèi)別中對(duì)象樣本的屬性值差別較大。
聚類(lèi)的定義如下:
給定一組數(shù)據(jù)D，把它劃分為若干聚類(lèi)或者稱(chēng)為簇
}C,} C2}..., CkI Ci}(2-4)
使得不同聚類(lèi)中的數(shù)據(jù)盡可能的不相似而通一聚類(lèi)中的數(shù)據(jù)盡可能地相似。K均值算法(也稱(chēng)K-means算法)是一種最常用的動(dòng)態(tài)聚類(lèi)算法，它是一種基于劃分的迭代算法，在求解過(guò)程中，通過(guò)反復(fù)修改分類(lèi)來(lái)達(dá)到最滿(mǎn)意的聚類(lèi)結(jié)果;該算法的基本思想是:首先以一些初始點(diǎn)為聚類(lèi)中心，對(duì)樣本集進(jìn)行初始分類(lèi);判定分類(lèi)結(jié)果是否能使一個(gè)確定的準(zhǔn)則函數(shù)取得極值:如能，聚類(lèi)算法結(jié)束;如不能，改變聚類(lèi)中心，重新進(jìn)行分類(lèi)，并重復(fù)判定，所使用的準(zhǔn)則一般是誤差平方和準(zhǔn)則。[24]是一種基于ISODATA約束聚類(lèi)。ISODATA算法是動(dòng)態(tài)聚類(lèi)的一種。動(dòng)態(tài)聚類(lèi)的特點(diǎn)在于，聚類(lèi)過(guò)程通過(guò)不斷地迭代來(lái)完成，且在迭代中通常允許樣本從一個(gè)聚合類(lèi)中轉(zhuǎn)移到另一個(gè)聚類(lèi)中。ISODATA聚類(lèi)的基本思想是，假定樣本集中的全體樣本分為m類(lèi)，并選定K為初始聚類(lèi)中心，然后根據(jù)最小距離原則將每個(gè)樣本分配到某一類(lèi)中，之后不斷迭代，計(jì)算各類(lèi)的聚類(lèi)中心，并以新的聚類(lèi)中心調(diào)整聚類(lèi)情況，并在迭代過(guò)程中，根據(jù)聚類(lèi)情況自動(dòng)地進(jìn)行類(lèi)的合并和分裂。經(jīng)典K均值算法介紹
K均值算法(也稱(chēng)K-means算法)是一種最常用的動(dòng)態(tài)聚類(lèi)算法，它是一種基于
劃分的迭代算法，在求解過(guò)程中，通過(guò)反復(fù)修改分類(lèi)來(lái)達(dá)到最滿(mǎn)意的聚類(lèi)結(jié)果;
第三章 靜態(tài)環(huán)境下無(wú)人機(jī)任務(wù)分配
對(duì)于給定任務(wù)和現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)資源，確定參與執(zhí)行任務(wù)的偵察無(wú)人機(jī)、滅火無(wú)人機(jī)的數(shù)量，組成無(wú)人機(jī)編隊(duì)。無(wú)人機(jī)的任務(wù)分配可以定義為，基于一定的環(huán)境知識(shí)(例如，任務(wù)目標(biāo)位置、威肋、區(qū)域位置等)和任務(wù)要求，為編隊(duì)中的各架無(wú)人機(jī)分配一個(gè)或一組有序的任務(wù)集(或目標(biāo)、空間位置)，以便在完成最大任務(wù)的同時(shí)，使無(wú)人機(jī)編隊(duì)的整體效率達(dá)到最優(yōu)。無(wú)人機(jī)任務(wù)分配問(wèn)題的解是任務(wù)區(qū)域各任務(wù)(或目標(biāo)位置)的一個(gè)排列。由于其明顯的優(yōu)化組合特征，求解無(wú)人機(jī)任務(wù)分配的有效方法是設(shè)計(jì)出能在合理的計(jì)算時(shí)間內(nèi)找到最優(yōu)或近似最優(yōu)解的啟發(fā)式算法。
靜態(tài)環(huán)境指的是無(wú)人機(jī)集，任務(wù)目標(biāo)集以及任務(wù)環(huán)境都保持不變。在這種情
況下，我們對(duì)無(wú)人機(jī)任務(wù)分配問(wèn)題進(jìn)行研究。
3.1任務(wù)分配場(chǎng)景和限制條件
3.1.1任務(wù)分配的場(chǎng)景
由于無(wú)人機(jī)在自然災(zāi)害中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本文設(shè)定的任務(wù)分配場(chǎng)景就是多無(wú)人機(jī)協(xié)同森林滅火。在一個(gè)二維空間平面中，含有N1架偵察機(jī)和NZ架滅火機(jī)的小型無(wú)人機(jī)(每架無(wú)人機(jī)只能執(zhí)行一種任務(wù)，偵察或滅火)編隊(duì)對(duì)M處?kù)o止目標(biāo)，假定目標(biāo)對(duì)無(wú)人機(jī)無(wú)威肋、，進(jìn)行“偵察一滅火一滅火評(píng)估”。
3.1.2任務(wù)分配限制條件
在3.1.1無(wú)人機(jī)任務(wù)分配的場(chǎng)景下，并考慮實(shí)際情況，我們?cè)O(shè)定了以下限制條
件:
(1)每架無(wú)人機(jī)只能執(zhí)行單一任務(wù)，任務(wù)包括偵察(監(jiān)視)或滅火;
(2)無(wú)人機(jī)與地面控制站通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行信息交互，無(wú)人機(jī)之間無(wú)通
信聯(lián)系;
(3)各架無(wú)人機(jī)的任務(wù)分配和再分配由地面控制站執(zhí)行，有人參與方式;
(4)各架無(wú)人機(jī)的航線(xiàn)規(guī)劃由地面控制站執(zhí)行，并將含有時(shí)間信息，任務(wù)信
息等的各航線(xiàn)點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)送給無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)嚴(yán)格按此航線(xiàn)飛行和執(zhí)行任務(wù);
3.2多無(wú)人機(jī)任務(wù)分配的數(shù)學(xué)模型
3.2.1無(wú)人機(jī)任務(wù)集描述
無(wú)人機(jī)任務(wù)集TS可以用以下一個(gè)6元組來(lái)描述:
TS=(ID, Act, Location, Min, Max/duration, State}(3一1)
在以上任務(wù)集當(dāng)中:ID表示無(wú)人機(jī)的標(biāo)識(shí)符，采用前綴+數(shù)字方式來(lái)標(biāo)識(shí)編隊(duì)中的每一架無(wú)人機(jī)。前綴R表示偵察機(jī)，F(xiàn)表示滅火機(jī)。數(shù)字表示序號(hào)。例如R1表示1號(hào)偵察機(jī)，F(xiàn)2表示2號(hào)滅火機(jī)，依此類(lèi)推;
Act表示無(wú)人機(jī)執(zhí)行的動(dòng)作，包括:
(1)起飛(Take-off:無(wú)人機(jī)在時(shí)間窗口「Min, Max]起飛并到達(dá)指定位置Location ;
(2)著陸CLand):無(wú)人機(jī)在時(shí)間窗口「Min, Max]返航至指定位置Location并
著陸;
3.2.2平面網(wǎng)格坐標(biāo)系
設(shè)置一個(gè)Lx X Ly尺寸的平面網(wǎng)格，其中包含無(wú)人機(jī)編隊(duì)的整個(gè)飛行區(qū)域和
待滅火的目標(biāo)。并假設(shè)
(1)在任意的時(shí)刻t，如果某個(gè)網(wǎng)格被填空，表示無(wú)人機(jī)可以安全地飛臨其
位置。
(2)在任意的時(shí)刻t，如果某個(gè)網(wǎng)格被填黑，表示無(wú)人機(jī)在其位置受到威脅，
無(wú)人機(jī)規(guī)劃航線(xiàn)應(yīng)避免穿過(guò)該網(wǎng)格。例如，如圖1所示，網(wǎng)格(2, 4 )被填黑，網(wǎng)
格(2,4 )位置是一個(gè)危險(xiǎn)位置。
第四章 動(dòng)態(tài)環(huán)境下無(wú)人機(jī)任務(wù)分配
由于實(shí)際的環(huán)境是動(dòng)態(tài)的，無(wú)人機(jī)，任務(wù)目標(biāo)，和周?chē)h(huán)境都會(huì)發(fā)生改變，所以我們?cè)跓o(wú)人機(jī)靜態(tài)任務(wù)分配的基礎(chǔ)上，需要對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境下無(wú)人機(jī)任務(wù)重新分配進(jìn)行研究，無(wú)人機(jī)任務(wù)重分配，主要考慮的是任務(wù)重分配的“實(shí)時(shí)性”。
4.1動(dòng)態(tài)任務(wù)重分配
4.1.1動(dòng)態(tài)任務(wù)重分配的觸發(fā)條件
任務(wù)分配使得編隊(duì)中的每架無(wú)人機(jī)分配到一個(gè)有序任務(wù)集，它們通過(guò)在時(shí)間和空間上的協(xié)調(diào)，共同配合完成任務(wù)。隨著任務(wù)的執(zhí)行，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境以及無(wú)人機(jī)編
隊(duì)的狀態(tài)可能發(fā)生改變，如:
(1)任務(wù)改變
無(wú)人機(jī)編隊(duì)在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，其任務(wù)集并不一定會(huì)是固定不變的。例如，一些在任務(wù)執(zhí)行前未被發(fā)現(xiàn)的新目標(biāo)出現(xiàn)，如果這些新出現(xiàn)的任務(wù)被地面控制站操作人員確認(rèn)為應(yīng)納入無(wú)人機(jī)編隊(duì)的優(yōu)先任務(wù)時(shí)，則需進(jìn)行任務(wù)再分配。又例如，編隊(duì)中的偵察機(jī)發(fā)現(xiàn)了新的危險(xiǎn)，地面控制站須對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行航線(xiàn)再規(guī)劃，如果新規(guī)劃的航線(xiàn)導(dǎo)致原先的制定的任務(wù)分配不能執(zhí)行時(shí)，則須進(jìn)行任務(wù)再分配。
(2)無(wú)人機(jī)狀態(tài)改變
由于各種不確定因素(如無(wú)人機(jī)故障)，編隊(duì)中的各架無(wú)人機(jī)可能退出任務(wù)的
執(zhí)行，而它原先分配到的任務(wù)需要分配給其它無(wú)人機(jī)，這時(shí)，需要進(jìn)行任務(wù)再分
酉己。
(3)地面控制站
地面控制站可在任何時(shí)刻對(duì)正在執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)行干預(yù)而觸發(fā)任務(wù)再分配。
4.1.2任務(wù)動(dòng)態(tài)再分配采用的策略
可以采用三種形式進(jìn)行任務(wù)動(dòng)態(tài)再分配，包括:
(1)整個(gè)編隊(duì)的完全再分配
此種方案如同起飛前的任務(wù)靜態(tài)分配，優(yōu)點(diǎn)是保證了全局最優(yōu);缺點(diǎn)是問(wèn)題
規(guī)模較大時(shí)，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。
(2)局部調(diào)整
此種方案是任務(wù)再分配針對(duì)每架無(wú)人機(jī)單獨(dú)調(diào)整，優(yōu)點(diǎn)是任務(wù)再分配快速;
缺點(diǎn)是最優(yōu)性難于保證。
(3)分組基礎(chǔ)上的再分配
此種方案是上述兩種方案的折中，它首先對(duì)無(wú)人機(jī)和任務(wù)進(jìn)行分組，然后進(jìn)
行組內(nèi)任務(wù)再分配。
在我們的方案中，地面控制站操作人員可在三種方案中進(jìn)行選擇，以最有利
于任務(wù)動(dòng)態(tài)再分配。
4.1.3任務(wù)重分配的流程
靜態(tài)任務(wù)分配完成后，系統(tǒng)處于穩(wěn)定的任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)，這時(shí)的任務(wù)不會(huì)發(fā)生變更。當(dāng)條件發(fā)生變化，一些任務(wù)需要變更時(shí)，將觸發(fā)任務(wù)重分配，之后系統(tǒng)又回到穩(wěn)定狀態(tài)，等待整個(gè)系統(tǒng)任務(wù)完成或下一次重分配。整個(gè)重分配過(guò)程中系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生變化，同時(shí)系統(tǒng)中各執(zhí)行者的狀態(tài)也將受到影響。變化過(guò)程如圖4. 1:圖4.1任務(wù)重分配流程圖
4.1.4任務(wù)動(dòng)態(tài)再分配需要考慮的因素
假設(shè)任務(wù)動(dòng)態(tài)再分配只在現(xiàn)有無(wú)人機(jī)編隊(duì)中進(jìn)行，即不給現(xiàn)有無(wú)人機(jī)編隊(duì)增
加新的無(wú)人機(jī)。這時(shí)，需要考慮的因素包括:
(1)編隊(duì)中現(xiàn)有可執(zhí)行任務(wù)的無(wú)人機(jī)的種類(lèi)及其數(shù)量
(2)主要考慮編隊(duì)中現(xiàn)有可執(zhí)行任務(wù)的無(wú)人機(jī)的種類(lèi)及其數(shù)量是否滿(mǎn)足任務(wù)
分配的要求，例如，需要執(zhí)行新的攻擊任務(wù)時(shí)，但是，當(dāng)前編隊(duì)中現(xiàn)有可執(zhí)行任
務(wù)的無(wú)人機(jī)無(wú)攻擊機(jī)，則不能完成任務(wù)。當(dāng)然，也無(wú)需再進(jìn)行任務(wù)分配工作。
(3)編隊(duì)中現(xiàn)有可執(zhí)行任務(wù)的無(wú)人機(jī)的當(dāng)前位置和續(xù)航時(shí)間
4.1.5任務(wù)改變時(shí)的任務(wù)動(dòng)態(tài)再分配算法
任務(wù)改變時(shí)的任務(wù)動(dòng)態(tài)再分配算法如下:
(1)由地面控制站操作人員確定參加新任務(wù)的無(wú)人機(jī);
(2)被確定參加新任務(wù)的無(wú)人機(jī)停止執(zhí)行現(xiàn)行任務(wù)，原地等待;
(3)由地面控制站操作人員選擇任務(wù)動(dòng)態(tài)再分配策略;
4.1.6無(wú)人機(jī)狀態(tài)改變時(shí)的任務(wù)再分配
當(dāng)某一架無(wú)人機(jī)狀態(tài)異常時(shí)的任務(wù)動(dòng)態(tài)再分配算法如下:
(1)安排該架無(wú)人機(jī)返航并著陸;
(2)確定該架無(wú)人機(jī)狀態(tài)改變使得該無(wú)人機(jī)不能繼續(xù)執(zhí)行的任務(wù)是哪一個(gè)任
務(wù);
(3)判斷該編隊(duì)小組中是否有同類(lèi)無(wú)人機(jī)可以替代退出的無(wú)人機(jī)?若有，轉(zhuǎn)
下一步;否則，轉(zhuǎn)(5);
結(jié) 論
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是無(wú)人機(jī)組群巡檢滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，直到今天，畢業(yè)設(shè)計(jì)總算接近尾聲了，通過(guò)這次對(duì)于無(wú)人機(jī)組群巡檢滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使我們充分把握的設(shè)計(jì)方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識(shí)，而且還獲得新的經(jīng)驗(yàn)與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，會(huì)遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時(shí)的指導(dǎo)，確保設(shè)計(jì)進(jìn)度，本文所設(shè)計(jì)的是無(wú)人機(jī)組群巡檢滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)初期的方案的制定，查資料和開(kāi)始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識(shí)的重要性，從而讓我更加深刻地體會(huì)到做一門(mén)學(xué)問(wèn)不易，需要不斷鉆研，不斷進(jìn)取才可要做的好，總之，本設(shè)計(jì)完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最感謝幫助過(guò)我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過(guò)。
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致 謝
在此論文完成之際，我的心里感到特別高興和激動(dòng)，在這里，我打心里向我的導(dǎo)師和同學(xué)們表示衷心的感謝！因?yàn)橛辛死蠋煹恼佌伣虒?dǎo)，才讓我學(xué)到了很多知識(shí)和做人的道理，由衷地感謝我親愛(ài)的老師，您不僅在學(xué)術(shù)上對(duì)我精心指導(dǎo)，在生活上面也給予我無(wú)微不至的關(guān)懷支持和理解，在我的生命中給予的靈感，所以我才能順利地完成大學(xué)階段的學(xué)業(yè)，也學(xué)到了很多有用的知識(shí)，同時(shí)我的生活中的也有了一個(gè)明確的目標(biāo)。知道想要什么，不再是過(guò)去的那個(gè)愛(ài)玩的我了。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，創(chuàng)新的學(xué)術(shù)風(fēng)格，認(rèn)真負(fù)責(zé)，無(wú)私奉獻(xiàn)，寬容豁達(dá)的教學(xué)態(tài)度都是我們應(yīng)該學(xué)習(xí)和提倡的。通過(guò)近半年的設(shè)計(jì)計(jì)算，查找各類(lèi)無(wú)人機(jī)組群巡檢滅火系統(tǒng)的相關(guān)資料，論文終于完成了，我感到非常興奮和高興。雖然它是不完美的，是不是最好的，但在我心中，它是我最珍惜的，因?yàn)槲沂窃趺聪氲?，這是我付出的汗水獲得的成果，是我在大學(xué)四年的知識(shí)和反映。四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識(shí)，而且鍛煉了我的個(gè)人能力，更重要的是來(lái)自老師和同學(xué)的潛移默化讓我學(xué)到很多有用的知識(shí)，在這里，謝謝老師以及所有關(guān)心我和幫助我的人，謝謝大家。
另外也感謝我的父母，朋友和同學(xué)們的幫助。在做設(shè)計(jì)感覺(jué)受挫，枯燥與迷茫時(shí)，是他們?cè)谙ば牡臑槲裔尫艍毫?，鼓?lì)我不要?dú)怵H，勇敢面對(duì)。每周一次和父母的通話(huà)，與朋友和同學(xué)的長(zhǎng)談后都使我精神放松，斗志倍增，以飽滿(mǎn)的熱情重新投入到工作中去，感謝他們，正是他們的不懈支持和充分理解才能使我順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。
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