[发明专利]一种基于两阶段随机优化的无人机蜂群队形重构方法

说明书

本发明公开了一种基于两阶段随机优化的无人机蜂群队形重构方法，基于两阶段的随机优化我们让无人机蜂群在复杂空间中通过队形的重构来躲避障碍物，并使得总的代价最小。在第一阶段中仅考虑确定的固定障碍物，在第二阶段中通过历史信息或者样本获取移动障碍物的分布后，计算蜂群躲避不确定的移动障碍物的代价，最后将第二阶段的代价添加到第一阶段中，使得代价之和最小。本发明的优势在于：通过两阶段的随机优化方法解决无人机蜂群在动态变化的复杂环境中的群体避障问题；该方法充分考虑了环境的复杂性和变化性有较强的使用价值；该方法有较高的执行效率，不会随着蜂群规模的扩大而增长计算时间。

技术领域

本发明属于群体智能领域，具体地说是提出了一种基于两阶段随机优化的无人机蜂群队形重构方法，用以无人机蜂群在复杂环境中的避障。

背景技术

无人机蜂群中的单架无人机不具备较高的个体智能，同时它们不仅可以相互通信，而且还具有环境感知能力和团队能力。此外，整个蜂群没有领导者，允许每个无人机进入或离开。无人机蜂群在执行任务时通常需要按照一定的结构布置在三维空间中使得整个蜂群可以在飞行过程中保持稳定的阵型，但是不可避免地会遇到各种紧急情况，如作战目标的变化，障碍物等外部环境的动态变化，内部成员之间的相互碰撞。在面对上述情况时，有必要对蜂群的队形进行动态调整，以实现整体蜂群队形维护并继续执行任务。因此，研究无人机蜂群的快速同步队形重构算法具有重要意义。

当前对于无人机队形重构的研究还都是在一个确定的环境中进行，并没有考虑到不确定的复杂环境带来的影响。但是在无人机蜂群执行任务的过程中，除了山丘、树林、高楼等固定障碍物外还经常遇到鸟群、乌云或者其他不明飞行器这些移动的不确定的障碍物。所以仅仅考虑理想条件下的无人机蜂群队形重构，并没有实际的意义。

发明内容

本发明针对大多数现有的无人机蜂群队形重构技术不考虑复杂环境中不确定的移动障碍物的问题，提出了一种基于两阶段随机优化的无人机蜂群队形重构方法。

本发明的技术方案是：

一种基于两阶段随机优化的无人机蜂群队形重构方法，该方法包括以下步骤：

S1：构造无人机蜂群蜂群队形重构的代价函数，该代价函数可以量化队形重构的代价；

S2：设计两阶段随机优化的第一阶段，计算无人机蜂群躲避环境中固定障碍物的最佳队形参数并使队形重构的代价最小；

S3：设计两阶段随机优化的第二阶段，从样本中获取移动障碍物分布的事件集，计算无人机蜂群躲避可能出现的移动障碍物的所额外付出的代价并使这个代价最小；

S4：将第二阶段躲避不确定的移动障碍物所额外付出的代价加入到第一阶段中，使得无人机蜂群在复杂空间中通过队形重构避免与障碍物碰撞所付出的代价最小。

进一步地，一种基于两阶段随机优化的无人机蜂群队形重构方法，所述的步骤S1具体为：

S101：预先定义蜂群的队形集合f∈N，此集合包含所有的队形，其中表示第i个队形，队形中每架无人机的位置表示为队形的边界节点为ni为边界节点数量，为了降低计算队形时的复杂度，使用无人机蜂群的边界节点来表示无人机蜂群的队形。

S102：无人机蜂群的队形参数通过x_i＝[t，s，q]表示，其中为蜂群移动后的位置，是伸缩系数，q为一个四元数用其来表示蜂群的旋转，则蜂群内部的无人机节点和边界节点可以表示为：