【技術實現步驟摘要】
本專利技術是一種基于昆蟲正負反饋機制的有人機/無人機協同任務分配方法，屬于人機混合集群自主控制領域。
技術介紹
1、近年來，無人機(unmanned?aerial?vehicle,uav)發展迅速，作為新型作戰力量，已從傳統的偵察監視、水文氣象等信息支援和信息保障領域，向具有攻擊和殺傷能力的火力打擊方向發展，在未來戰爭中將承擔更加重要的作戰任務。因此隨著無人機技術的發展和無人機裝備數量的增加，這種新型作戰力量如何真正融入作戰體系，并在未來戰爭中充分發揮體系作戰的優勢，成為各國爭相研究的一個重要課題。然而面對日趨復雜和激烈的戰場環境，以及戰術任務的多重性與復雜性，無人機很難獨自完成高強度對抗的作戰任務。因此，根據未來戰爭對無人機的作戰任務需求，結合有人機(manned?aerial?vehicle,mav)、無人機的作戰特點，在信息化、網絡化、智能化、體系對抗作戰環境下，采取有人機和無人機編隊協同作戰，將實現有人機與無人機之間及整個作戰體系之間信息和資源的共享，以及各自優勢的充分發揮，對于提高整個系統的作戰效能，具有重大的軍事應用價值。
2、有人機/無人機的異質系統通常在性能和功能上相互補充，能夠在復雜的軍事任務場景中有效地執行實時任務，例如在敵對環境中進行電子偵察與干擾。有人機/無人機在多個方面都能獲益，尤其是當該系統由分布在不同位置或空間的多個實體組成時。通過合作，有人機/無人機能夠作為一個團隊工作，完成那些它們單獨很難完成的活動。在這類任務中，隨著任務復雜性的增加和有人機/無人機的多次擴展，需要實現靈活自主的部署
3、許多傳統的解決方案要求進行不斷的通信互動，導致通信開銷增加，直接增加計算成本。一個具有優勢的任務規劃策略的目標是通過在任務分配中加強有人機/無人機集群的協調和合作，以最小的成本完成既定任務。因此，對于有人機/無人機集群來說，提供更多的決策自主權以實現動態控制和管理非常重要。有人機/無人機集群希望在場景和任務不斷變化的情況下，以最少得時間完成所有的任務，這涉及到內部的競爭和合作。與此相似，群居昆蟲通過社會分工行為實現了競爭與協作的平衡。群居昆蟲會根據個體的特長和能力進行任務的分工，不同的個體承擔不同的角色和任務，相互之間協調配合，共同完成復雜的任務。
4、綜上所述，本專利技術提出了一種基于昆蟲正負反饋機制的有人機/無人機協同任務分配方法，以有人機/無人機協同任務分配為背景。首先，對這個問題進行了描述，并對任務分配問題進行了建模。接下來，提出了一種仿昆蟲社會分工正負反饋機制的有人機/無人機協同任務分配方法。類似于昆蟲社會分工行為的正反饋機制，仿照昆蟲個體之間受到外界任務刺激相互溝通和交互的過程，構建了有人機/無人機集群對應的決策矩陣。該決策矩陣用于找到所有可以用來完成任務但不會產生沖突的策略。同時，類似于昆蟲個體會根據群體收益和需求調整自身的行為決策，使得有人機/無人機集群能夠從決策矩陣中選擇出最合適的任務分配方案，以最小的代價解決問題。
技術實現思路
1、1、專利技術目的：
2、本專利技術提供了一種基于昆蟲正負反饋機制的有人機/無人機協同任務分配方法，其目的是為了在場景和任務不斷變化的情況下，通過在任務分配中加強有人機/無人機集群的合作，相互之間協調配合，在大規模有人機/無人機協同任務分配系統中實現最小的時間和資源成本。
3、2、技術方案：
4、本專利技術針對有人機/無人機協同任務分配問題，提供了一種基于昆蟲正負反饋機制的有人機/無人機協同任務分配方法，該方法具體步驟如下：
5、步驟一：建立有人機/無人機異構系統和任務目標模型
6、假設存在架有人機/無人機和m個動態目標t＝{t1,t2,...,tm}。有人機/無人機包括架速度最快，探測范圍最大的有人機、架速度較快(速度較前述有人機慢)，探測范圍最小的攻擊型無人機以及架速度最慢(速度較前述攻擊型無人機慢)，探測范圍較大的偵察型無人機。有人機/無人機的燃油量會隨著單位時間的推移逐漸減少，直至達到最小值fmin。偵察任務分配行動通常被認為是在安全距離范圍內與目標保持近距離，使用雷達或光學傳感器跟蹤目標一段時間tb。對于偵察的目標，它們包括已知目標tk、未知目標tu和欺騙目標tt。
7、考慮到簡化有人機/無人機頂層決策的航路設計，使用時間戳模型生成速度和高度不變的軌跡，如圖1所示。第i架有人機/無人機時間戳模型如下：
8、
9、在時間戳模型中，存在兩個組成部分，即速度分量和位置分量pi(t)＝[pix(t),piy(t)]t。表示了連接當前點si(t)和目標點ei(t)的直線與笛卡爾坐標系的x軸之間的角度。其中表示目標的位置，表示有人機/無人機的任務切換位置。在圖1中，確定ei(t)位置后，示意圖表示目標存在一定范圍的威脅區域。從其當前位置開始，經過任務分配有人機/無人機會向目標匯聚，并在到達威脅區域附近的時間間隔tb內進行偵察行動。在完成指定的偵察時間后，有人機/無人機將迅速過渡到新的偵察階段，從其任務切換點si(t+tb)開始，向后續目標位置ei(t+tb)移動。
10、如果i架有人機/無人機與第j個目標之間的歐幾里德距離dij等于偵察范圍rd，這個目標將被探測到并且其真實性可以被確認。對于海上移動船舶目標，假設為沒有高度變化的二維平面運動目標，例如，第j個目標模型被設計為：
11、
12、式中，r1,r2∈(-1,1)，u和v表示船舶速度的恒定速率。假設目標船舶的運動是在兩個維度內發生的完全不可預測的隨機運動，速度范圍在一定范圍內。兩個坐標軸上的速度大小由將恒定值u和v與它們各自對應的隨機數相乘確定，分別表示為r1和r2。
13、為了確保聯合偵察行動期間的安全性，有人機/無人機只能在特定范圍rl內圍繞和跟隨船只，并且互相之間必須具有角度分布θik，其公式為：
14、
15、其中，x(k,j)＝1表示第k架有人機/無人機執行第j個目標，而x(k,j)＝0則相反。
16、步驟二：建立協同任務分配多旅行商任務約束模型
17、一般而言，雷達傳感器比光學傳感器更具探測能力，所需有效載荷的數量n和偵察持續時間tb需要成比例變化。假設每架有人機/無人機只能配備一個有效載荷。例如，在執行一項偵察任務時，有人機/無人機配備雷達載荷，需要個雷達有效載荷完成時間tr的偵察；或者配備光學有效載荷，需要個光學有效載荷完成時間tj的偵察。
18、對于多旅行商問題的約束，應確保每個目標必須通過有人機/無人機執行一次，公式表達為：
19、
20、其中，和分別表示本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于昆蟲正負反饋機制的有人機/無人機協同任務分配方法，其特征在于：該方法步驟如下：
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟三中，根據昆蟲之間溝通和協調的競爭交互方式，設計以下種規則進行限制，解決執行任務過程中的沖突問題，采用以下三種規則如下：
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟四還包括以下內容：求解全局最優方案解并且通過式(6)中權重值W和個體能力較強能替代其他個體的策略設計代價函數。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟四還包括以下內容：仿照在昆蟲社會分工中，根據個體學習和觀察的行為，個體會向最優結果進行學習，但是在隨機學習和觀察過程對于個體來講具有多樣性，但是這種多樣性隨著時間慢慢推移，越來越小，因此設計仿昆蟲社會分工隨機學習與觀察行為的任務分配方案進行節點更新。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于：所述步驟四還包括以下內容：為了獲得一個每個節點最大失落值為0的決策解，當得到個體時，還需要重新經過根據自身決策的滿意值更新的過程，從而得到個體然后仿照采取昆蟲社會分工行為中對成
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：該方法還包括以下步驟：步驟六：建立有人機/無人機協同任務分配評價指標：
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于：該方法還包括以下步驟：步驟七：輸出基于昆蟲正負反饋機制的有人機/無人機協同任務分配結果圖：
...【技術特征摘要】
1.一種基于昆蟲正負反饋機制的有人機/無人機協同任務分配方法，其特征在于：該方法步驟如下：
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟三中，根據昆蟲之間溝通和協調的競爭交互方式，設計以下種規則進行限制，解決執行任務過程中的沖突問題，采用以下三種規則如下：
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟四還包括以下內容：求解全局最優方案解并且通過式(6)中權重值w和個體能力較強能替代其他個體的策略設計代價函數。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：所述步驟四還包括以下內容：仿照在昆蟲社會分工中，根據個體學習和觀察的行為，個體會向最優結果進行學習，但是在隨機學習和觀察過程對于個體來講具有多樣性，但是這種多樣性隨著時間慢慢推移，越來越...
【專利技術屬性】
技術研發人員：段海濱，龍泓，霍夢真，吳浩，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：
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