指定域多无人机协同目标跟踪研究_朱代武.pdf
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1、设计与应用计算机测量与控制 ()收稿日期:;修回日期:。基金项目:民航局安全能力建设项目();四川省大学生创新创业训练计划()。作者简介:朱代武(),男,四川广汉人,硕士,教授,主要从事飞行程序设计与空中交通管理方向的研究。引用格式:朱代武,刘豪,曾婧涵,等 指定域多无人机协同目标跟踪研究 计算机测量与控制,():文章编号:():中图分类号:;文献标识码:指定域多无人机协同目标跟踪研究朱代武,刘豪,曾婧涵,孙永鹏(中国民用航空飞行学院,四川 广汉 )摘要:由于战场环境日益复杂、对抗性日益增强、任务日益多样和单机能力受限特性,多无人机协同执行作战任务已经成为无人机系统应用的重要发展趋势;针对协同
2、作战中的系统复杂性、时间敏感性和通信计复杂性等特点进行分析,结合无人机运动性能及自主协同控制能力提出指定域多无人机协同目标跟踪的研究模型;首先建立面向战术任务的多无人机协同目标跟踪模型,其次在指定域范围内对多无人机进行面向持续跟踪模型的优化,最后选取一定数量的无人机在指定域内进行仿真,实验结果表明:面向持续的指定域多无人机协同目标跟踪模型是有效的,且具有较好的目标状态估计性能。关键词:指定域;多无人机;协同目标跟踪;自主控制;持续跟踪 ,(,):,:;引言无人机系统是目前无人系统领域发展最快、水平最高、实战应用最多的一类空中系统,而多无人机对重点区域进行协同侦查、目标搜寻及目标跟踪是空中作战系
3、统中实用的技术领域。多无人机协同主要从信息融合与资源互补两方面对任务进行组织分配,在多并行过程中,每架所拥有的信息源均为自身传感器所捕获,无人机集群中的所有 进行综合态势感知与信息融合,提供 给主控系统以进行任务分配与调度,进而提高任务执行效率。然而在实际任务中,受 性能、任务需求和环境因素影响与制约,对多 进行协同控制是一个极其复杂的过程,其复杂性主要体现在:()任务所处环境的复杂性;()多无人机个体间的差异;()任务需求的复杂性;()计算与通信的复杂性。为解决多无人机在多复杂性条件下的协同跟踪问题,国内外学者做了大量的工作,如传统方法以搜索论为基础,从最大化目标发现概率的角度预先设计覆盖作
4、战区域的多目标搜索方法。然而多无人机协同作战是一个动态过程,一般情况下目标处于移动状态,无法进行预先规划,只能根据作战跟踪过程中的实时探测信息和环境信息进行实时决策。针对动态作战过程,目前一类重要的办法是基于搜索图的办法,如占用图、概率图、信息素视图等,此类方法都是通过构造反映目标和环境信息的二维离散地图,并基于实时探测消息更新,在当前搜索图上进行求解。对于多无人机协同作战而言通过离散地图上的中央节点来维护全局的搜索图信息,最后基于当前多无人机状态采用滚动优化方法求解该群的最优化轨迹及覆盖区域,然而集中式计算数据量较大,且机群间不同位置的运动姿态各不相同,存在计算时间过长无法进行有效时间内自主
5、决策。为解决数据量大及计算复杂问题,提高动态规划效率,基于预先分配结果进行动态任务分配。以战术多无人机执行协同打击任务为背景,针对具有战术目的的持续跟踪(持续跟踪,表示跟踪目标尽可能处于观测平台的传感器范围内,在复杂环境特别是城市环境作战,由于传感器视线遮挡、飞行空域限制等需要多无人机协作以维持目标跟踪投稿网址:计算机测量与控制第 卷 任务的鲁棒性)跟踪作战,研究战术无人机协同目标跟踪优化方法,验证所选取方法的有效性。协同目标跟踪下的协同目标跟踪系统中的智能个体根据个体之间的局部交互信息对自身的行为进行动态调整。其中集群行为()是集群个体经由所关联耦合合作方式而涌现出来的自组织运动模式,其关联
6、耦合方式的差异性也会促使集群行为产生差异。如何对个体的行为规则进行构建、刻画与分析、关联耦合结构与运动特性,使得一个融合性的系统在运动过程中能够保持一致性,以实现期望的集群行为与完成预期的复杂任务。跟踪开始阶段,跟踪续航阶段与 跟踪结束阶段为多无人机机动目标跟踪的一个完整过程。即首先跟踪起始阶段利用无人机传感器所携带的量测信息建立新的目标规划航迹,其中较为典型的跟踪方法有连续多次扫描和基于目标设定下的后验概率决策分析方法;其次跟踪续航阶段通过所搭载的双向数据传输链路来实现量测信息与已确定航迹的配对拟合,然后利用现有的信息融合处理技术对各个目标的状态数据参数进行获取存储,进而对已确定的规划目标航
7、迹进行更新;跟踪结束阶段为跟踪开始阶段的逆向过程,即目标离开跟踪空间时消除多余的预测目标航迹。协同跟踪下的多无人机控制无人机集群通过组建高动态、可扩展、智能化的无人机集群网络,能够提升无人机的适应能力,协同完成复杂任务。针对无人机集群协同技术,介绍在路径规划、态势感知和任务协作等领域的应用研究,通过分析无人机集群网络协同的发展历程及传统方案的不足,提出未来的无人机集群协作将是多智能体的无人机集群智能协同,给出了实现框架。由于系统自我组织控制能力的增强,地面操纵正在实现由手动操纵向机器学习监督式控制过渡。目前任务控制系统通常采用分层递阶结构框架,该框架中为面向战术任务的层任务控制结构,分别为多无
8、人机战术层、多无人机策略层、多无人机控制层和多无人 机执 行层 。其中战术层主要依据战术任务要求,分析任务特点、制定任务时序与逻辑过程与指定策略优化等;策略层主要结合策略优化要求和环境约束,融合目标感知信息、与其他单位交互协同等;控制层基于得到的策略层进行航点跟踪计算、速度保持与互联云台控制等;执行层从物理层面控制平台及其任务载荷,其结构如图所示。由于实际战争环境复杂且动态变化,机载传感器获取的目标信息存在高度的不确定性,因此对目标跟踪、区域搜索、感知与规避等战术任务,在任务控制系统的策略层,可采用基于主动感知的任务求解过程,任务过程包含目标感知、估计猜测以及任务优化等模块,该战术模块如图所示
9、。图战术 系统分层战术任务控制系统 图战术任务的主动感知求解过程 多无人机协同跟踪模型多无人机的协同跟踪是根据其性能参数、传感通信条件、集群个数等为基本约束条件(影响多无人机运行效能的因素很多,如航程、航时、飞行速度、飞行高度、单个无人机性能等,为便于量化分析需对多参数进行整合。),以实现多任务、多层次、多范围内的最优化处理为目标函数,并根据实际情形需要将任务进行分配处理,以求达到任务处理时满足全局收敛与时间最短。假定任务区域中分布着架(记为,)和具有部分先验消息的被跟踪目标,每架均可获得协同跟踪目标的观测信息(,),且各之间相互独立。要求在规定任务时间内协调优化各控制输入,可以得到最优化控制
10、输入。因多协同目标跟踪存在个层次的协作,需融合不同无人机对跟踪目标的侦查以获取目标最优化处理;其次使用跟踪性能最优对航迹进行协作;最后在任务控制方面需进行更高层次协作。对于集中式控制结构可采用如下协同跟踪模型:,(:,:,:)():()()()()()(,)投稿网址:第期朱代武,等:指定域多无人机协同目标跟踪研究 ,()其中:,;,表示控制输入;,分别对应 的偏航角、俯仰角和速度,而对应上述个变量的控制输入,与需要满足平台的动力学约束;()表示航迹优化的效能函数;()表示目标状态转移模型;(,)是时刻目标状态的过程噪声;为战术航迹优化的时域长度所对应的执行时域的数目;()为状 态 转 移 模
11、型;()为控制输入的过程模型;为 禁止飞行区域集合;()为对应无人机对目标的状态观测模型;为无人机测量噪声。因 个体之间相互独立,可用分布式控制结构进行协调,则对每个 节点进行航迹优化,则式()()改进后如下:,(:,:,:)():()()()()()(,)()因卡尔曼滤波需对动态系统进行精确计算,并且对高斯噪声的统计特性有精准要求,而在实际多协同跟踪系统中往往无法得知,尤其对于未知复杂环境的目标跟踪领域。因卡尔曼滤波为在时间域内的递推,其迭代计算为预测更新的循环过程,因该迭代单向有序,从而无需占有过多存储空间对统计数据进行处理,从而便于计算机操纵系统的高效响应。在实际递推的处理过程中往往采取
12、卡尔曼信息滤波器,即在预测和更新两个步骤中通过递推形式计算协方差矩阵的逆,具体可对其定义为:()()()()当多 协同跟踪系统状态大于所需量测维数时,采用卡尔曼滤波形式较为精确,因为此时所需的求逆矩阵为;当主控系统状态维数小于已量测维数时采用信息滤波形式较为合适,此时对应的求逆矩阵为,且采用信息滤波易于处理多传感器信息的融合问题。同时在该优化结构模型中设定单个为群网络节点,且只在面向自己的控制指令下进行优化升级处理,每个节点的效能函数可与网络中临近 的数据进行融合处理,并在适当时候进行耦合搭建。多 下的集群系统控制方式在目前多无人机集群运行控制中,常见的控制方式有种,分别为:集中式、分布式、分
13、层式与自组织式,以下就种进行简述说明:集中式协同运行控制集中式控制是指 由集群中的主机带领,由主机进行主要的计算和指令发布,其他无人机处于次要或者辅助位置;或者由集群控制的外部平台或者地面基站充当控制单元,多无人机运行过程中的无人机接收执行数据与指令,并适当向“控制者”进行信息反馈。集中式的控制是建立在对全局信息掌握的基础上,每架 的位置信息、姿态与运动目标信息进行交互处理。图多无人机协同集中式结构 分布式协同运行控制分布式控制是指系统的控制结构是分布式的。分布式的控制需要建立在集群多无人机的局部信息的基础上,每架无人机要将自己的位置信息、姿态与运动目标信息与其他无人机进行交互信息处理,在分布
14、式控制下每架装备相对独立的控制单元,通过多无人机之间的协作去完成任务。这种 控 制 不 仅仅 依赖 于 中心 控制 单 元,在 单 架通信失常时,可与附近 进行通信数据互补以增强多无人机协同运行的安全性与稳定性。图多无人机协同分布式结构 分层式协同运行控制在多无人机协同运行中单机进行水平交互的同时加上垂直交互来实现冲突解脱。当无人机协同运行群中个体数目小于等于时,使用集中式协同运行或者分布式协同运行效果较好;当协同运行中的无人机数量大于时,适合对无人机进行分层管理,实际分层控制结构根据任务组织情况、无人机运行所处的外部环境等因素进行综合考量。投稿网址:计算机测量与控制第 卷 自组织式协同运行控
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