[发明专利]基于最优控制理论的多飞行器协同围捕方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于最优控制理论的多飞行器协同围捕控制方法及系统，使多个追踪者能够实现对单个机动能力更强目标的围捕。首先给出了追踪者和目标双方的相对运动关系，然后对阿波罗尼斯圆的性质进行了分析，并利用其性质提出了多对一的平面围捕模型，在此围捕模型基础上，结合最优控制理论,基于阿波罗尼斯圆圆心间的距离设计优化指标，并将最优方位角作为追踪者的控制输入；在利用该方法对目标围捕过程中，追踪者通过更新瞬时最优方位角，使其在减小彼此之间距离的同时不断靠近目标，直到目标被成功捉捕。

技术领域

本发明涉及多飞行器协同控制领域，具体涉及一种基于最优控制理论的多飞行器协同围捕方法及系统。

背景技术

随着人工智能、计算机控制技术的发展，飞行器的应用领域也在不断扩展。飞行器能够代替人类完成一些重复、高危、复杂的任务，从而提高任务完成的效率，同时减少人员使用的成本。众多应用表明，对于复杂程度较低的任务，单飞行器方案是可行的，但其很难胜任围捕这一需要配合行为才能实现的任务。

另外，现阶段对围捕问题的研究大多数是建立在追踪者性能优于目标的基础上，然而多个追踪者在执行围捕任务的过程中，可能会遇到机动能力强于自身的目标，从而导致目标采用更加智能的方式成功逃逸。

由于上述原因，本发明人对现有的多飞行器协同围捕方法做了深入研究，以期待设计出一种能够解决上述问题的基于最优控制理论的多飞行器协同围捕方法及系统。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种基于最优控制理论的多飞行器协同围捕方法及系统，使多个追踪者能够实现对单个机动能力更强目标的围捕。该发明首先给出了追踪者和目标双方的相对运动关系，然后对阿波罗尼斯圆的性质进行了分析，并利用其性质提出了多对一的平面围捕模型，在此围捕模型基础上,结合最优控制理论,基于阿波罗尼斯圆圆心间的距离设计优化指标,并将最优方位角作为追踪者的控制输入；在利用该方法对目标围捕过程中，追踪者通过更新瞬时最优方位角，使其在减小彼此之间距离的同时不断靠近目标，直到目标被成功捉捕。

具体来说，本发明的目的在于提供一种基于最优控制理论的多飞行器协同围捕方法，该方法中，每个追踪者通过更新自身的瞬时最优方位角，不断减小其与目标间的距离，期间始终保证目标位于围捕范围内，最终实现对机动能力更强的目标的捉捕。

本发明还提供一种基于最优控制理论的多飞行器协同围捕系统，该系统包括多个协同围捕的飞行器，在每个飞行器上都设有导引头、传感器和信号传递接收设备；

所述导引头包括红外导引头、激光导引头及图像导引头，能够捕获目标，从而获知目标的位置及速度信息；

所述传感器包括卫星信号接收设备、地磁传感器、陀螺仪，能够实时获得飞行器自身的位置及速度信息，从而飞行器能够实时更新自身的控制行为；

所述信号传递、接收设备包括雷达，通过该信号传递、接收设备可以使得邻近飞行器之间能够彼此传递自身所处的位置信息。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的基于最优控制理论的多飞行器协同围捕方法及系统中的多对一的平面围捕模型能够有效使得各个追踪者之间彼此独立地对目标进行追踪，仅仅与邻近的追踪者共享自身的位置信息即可计算得到自身的控制行为，并不需要全局信息。

(2)根据本发明提供的基于最优控制理论的多飞行器协同围捕方法及系统在针对机动能力强于追踪者并采用较为智能方式逃跑的目标时，多个追踪者能够始终保持稳定的围捕队形，使目标无法逃逸。

附图说明

图1示出本发明的追踪者与目标相对运动关系图；

图2示出本发明的基于阿波罗尼斯圆的围捕示意图；

图3示出本发明实验例中4个追踪者对目标的围捕轨迹；