基於協同機制的多無人機任務規劃研究

論文摘要

眾所周知,無人機技術在突發事件應急、抗震救災、軍事行動等關鍵領域為國民經濟和人民的社會生活提供了諸多便利和服務。然而面對其執行任務的複雜性、多樣性,以及各套用領域不斷湧現的套用需求,如何實現多無人機任務協同來有效處理多類型異構任務,已成為無人機研究領域的一個重要問題,並引起了工業界與學術界的廣泛關注。基於協同機制的多無人機任務規劃技術是實現無人機任務協同的關鍵,但複雜的任務場景給多無人機任務規劃技術的研究帶來了以下挑戰：首先,無人機網路拓撲快速變化會對網路路由的可靠性產生嚴重影響,使得無人機之間的協商與決策過程缺乏可靠的路由通信保障；其次,基於時間約束的異構類型的任務處理增加了多無人機任務分配問題的複雜度,制約了多無人機的任務協同能力；最後,任務的突發性、無人機分布的隨機性以及航行約束的多樣性等因素的存在,使得多無人機航路規劃的有效性急劇下降,因而無法保障無人機編隊協同執行任務的效果。為此,針對上述挑戰,本文對基於協同機制的多無人機任務規劃關鍵技術進行了深入研究,取得了以下成果：1.針對無人機網路拓撲快速變化對於網路路由產生的影響,本文提出了一種基於位置信息輔助的無人機網路路由方法。該方法的主要思想是通過鄰居可靠性來進行下一跳路由選擇,以降低發生路由暫盲的機率,提高分組到達率；同時藉助兩跳鄰居信息輔助選路,降低路由空洞引起的傳輸時延,改善路由性能。實驗結果表明該方法能夠保證無人機網路路由的可靠性。2.針對多無人機任務分配過程中,無人機資源類型和任務處理要求之間、預定任務執行與突發任務協同之間存在的矛盾,本文提出了一種基於時間窗機制的多無人機任務分配方法。該方法的主要思想是通過建立基於任務空閒時間窗的多無人機任務分配模型,反映多機協同產生的時序衝突及資源約束；然後,提出基於貪婪算法和粒子群最佳化的兩階段任務分配方法對其進行求解,降低任務分配問題的複雜度,獲得最佳化的分配方案。仿真結果表明,該方法兼顧了無人機任務分配對於有效性和實時性的要求,提高了任務完成率,縮短了任務執行時間。3.針對多無人機航路規划過程中,由於任務協同引起的多機航行時空協同要求,本文提出了一種基於協作蟻群最佳化的多無人機協同航路規劃方法。該方法通過建立基於多機時空協同約束的航行代價模型,反映了不同航路所對應的航行安全和多機協同性能；然後,提出了一種基於信息素吸引/排斥機制和協同航程更新機制改進的協作蟻群最佳化算法對其進行求解,為無人機編隊構造滿足時空協同約束且總體代價最小的航行路線。仿真結果表明,該方法能夠有效提高多無人機航路規劃的時空協同性能。

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林林. 基於協同機制的多無人機任務規劃研究[D].北京郵電大學,2013.

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