[发明专利]基于群体智能的无人机集群协同覆盖方法

说明书

本发明公开了一种基于群体智能的无人机集群分布式协同覆盖方法，本发明基于群体智能的思想实现，将无人机的覆盖问题建模为扩散问题，并利用分段覆盖方法和信息素模型提高无人机的覆盖效率，具体为基于菲克定律，将无人机集群建模为扩散模型中的质点群，计算得到菲克模型加速度，同时，为无人机避障设计了一种无人机加速度弹球模型，计算得到弹球模型加速度，另外，利用分段的策略和信息素模型提高无人机在时间拐点时候的覆盖速度，进一步优化了无人机集群的覆盖效率。本发明所述方法能有效提高无人机集群的覆盖效率。

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种基于群体智能的无人机集群协同覆盖方法。

背景技术

在一群地面智能体组成的自组织系统中，通过系统的自组织自协调，系统中的每个成员智能体以及整个系统有以下的特性：(1)行为上具有一定的自主性；(2)智能体之间只进行局部的信息感知和间接的信息交互；(3)整个系统是分布式系统，没有全局性的先验信息；(4)导致整个系统出现一种集体性的行为，以上特性可以直观上描述群体智能的概念。

在无人机集群系统中，可以通过对集群的控制从而达到对目标区域的全覆盖以完成预定任务。无人机集群对目标区域的全覆盖是多无人机系统的典型应用场景之一，主要分为集中式覆盖方法和分布式覆盖方法。集中式的覆盖算法是由地面的控制基站对无人机集群的路径进行统一规划从而达到目的，其性能取决于集中式算法的复杂度和地面控制系统的计算能力，并且其可扩展性差，系统通信带宽和软件复杂度等会随着集群中无人机数量的增长呈指数型增长。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种基于群体智能的无人机集群协同覆盖方法，本发明基于群体智能的思想实现，将无人机的覆盖问题建模为扩散问题，并利用分段覆盖方法和信息素模型提高无人机的覆盖效率

本发明提出的一种基于群体智能的无人机集群协同覆盖方法包括如下步骤：

将无人机集群建模为菲克定律中的质点群，通过菲克定律将无人机集群中每个无人机的加速度建模为菲克模型；

无人机集群中每个无人机具有感知距离，利用无人机感知距离设计一种规避障碍的加速度弹球模型；

将无人机集群的覆盖效率开始放缓的时间作为时间拐点，利用时间拐点设计分段覆盖的方法，具体为：在时间拐点后利用无人机集群释放的信息素设计一种信息素释放模型和一种信息素反应模型。

本发明的进一步技术方案是：无人机集群中当前无人机的总加速度函数为：其中，表示当前无人机在菲克模型下的加速度，表示当前无人机在弹球模型下的加速度，表示信息素浓度产生的加速度。

本发明的进一步技术方案是：所述菲克模型下对加速度的描述为：其中，在直角坐标系中，a_x表示当前无人机在x方向加速度的大小，a_y表示当前无人机在y方向加速度的大小，表示当前无人机在x方向的单位矢量，表示当前无人机在y方向的单位矢量，表示当前无人机在菲克模型下的加速度，N_u，N_d，N_l，N_r表示为：当前无人机可以感知以感知距离为半径圆形区域内的其他无人机，被感知的无人机为当前无人机的邻居无人机，在当前无人机以感知距离为半径的圆形区域范围内，以当前无人机位置为中心点，延伸水平、竖直的两条互相垂直虚线，N_l为垂直虚线左侧邻居无人机的数量，N_r为垂直虚线右侧邻居无人机的数量，N_u为水平虚线上侧邻居无人机的数量，N_d为水平虚线下侧邻居无人机的数量。