[发明专利]无线紫外光协作集群无人机围捕方法

权利要求书

1.无线紫外光协作集群无人机围捕方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：构建无线紫外光无人机通信模型；

每架无人机均搭载紫外光收发装置，在多无人机围捕敌机过程中，利用机载半球形MIMO结构的LED阵列发出的不同波长的紫外光，通过信号的发送和接收无使得各无人机之间的信息进行实时交互；

每个半球形LED阵列表面都被划分为M个纬线方向和N个经线方向，在经纬交点处安装LED，顶部全向接收；将两个半球型LED阵列装置分别搭载在两架无人机上，每个紫外光收发装置上都有对应的信号发送端和信号接收端，无人机通过接收相邻无人机所发送的信号从而确定环航过程中与本机的相对位置、速度；每个LED都有自身的编码，由纬向编码和经向编码组成，该编码反映LED发射光束相对于LED自身的方向；每个LED独立控制，均能独立发送信息，完成信息的收发任务；

步骤2：最优无人机联盟生成；

多无人机追捕问题中，为了更加快速有效地捕获逃跑者，往往需要多个无人机组成无人机联盟，联盟内各个追捕无人机通过相互之间的合作实现更加有效的追捕行为；最优联盟结构是指在所有可能的联盟结构中收益或者预期收益最大的联盟结构，最优联盟结构求解是通过搜索得到联盟结构图中的最优联盟结构；

步骤3：联盟内无人机防碰撞；

采用的两种波长紫外LED的目的是通过波长划分区域，调节两种波长紫外LED阵列的角度和光功率，使发出的两种波长紫外光全覆盖以无人机机体为球心、半径分别为r₁和r₂的球形区域，并以分出危险区、通信区和未知区，针对接收到对方紫外光信号的不同情况判断互处于对方的哪个区域；当互处于对方的未知区时，说明两架无人机机体间距离较远，暂时没有碰撞危险；当互处于对方的通信区时，可以利用紫外通信链路建立的方向进行稳定的机间通信；当互处于对方的危险区时，无人机机体间距离较近，碰撞危险较高；无人机机体间通信的内容包含本机当前位置、航向、航速、对应的目标集结点、所在分区编号以及已获取的其他无人机机体位姿信息，每架无人机机体通过邻居节点实现信息共享，获取集群内全部无人机机体的相关信息，据此实现联盟内无人机防碰撞；

步骤4：无人机联盟在满足成功追捕的约束条件下进行围捕；

成功追捕的必要条件1为：当多个追捕者追捕1个逃跑者时，在接近成功实现围捕的追捕最后阶段，如果能够实现逃跑者的逃跑路径必须经过某个追捕者所在的阿波罗尼奥斯圆内，则只要追捕者选择合适的追捕策略，必然可以捕获逃跑者，如果追捕者之间的阿波罗尼奥斯圆存在空隙，则逃跑者采用最优策略；成功追捕的必要条件2为：逃跑者落在追捕者所构成的凸多边形内部且逃跑者和追捕者构成的相邻追-逃阿波罗尼奥斯圆满足两两相交。

2.根据权利要求1所述的无线紫外光协作集群无人机围捕方法，其特征在于，所述步骤2中在联盟独立性的基础上，采用基于贪婪最优收益的追捕联盟算法，具体步骤如下:

(1)子联盟及联盟领导者生成

假设存在m个逃跑者，n个追捕者，所以n个追捕者将被分成m个追捕联盟，n个追捕者对m个逃跑者存在一对一追捕收益矩阵G；

一组5个追捕者对3个逃跑者建立分配问题的偶图，用收益矩阵中的2个节点的连线设置权重，连线权重对应追捕者对逃跑者的收益；追捕者和逃跑者数量不等，故引入两个虚拟逃跑者，并设连接到表示这2个虚拟逃跑者的节点的边的权重为0；

分配过程如下：

Step1从偶图中找出权重，即偶图中边连接的追捕者对逃跑者的收益，对最小的边进行移除；

Step2检查是否有节点没有任何连接，没有则跳到Step1，有则把本循环中Step1舍弃的边连接的追捕者标记为联盟领导者，负责组织一个追捕联盟追捕这条边所连接的逃跑者；

Step3重复Step1～Step2直到分配了m个追捕者对逃跑者的一对一组合；

(2)子联盟成员扩展

首先将联盟结构图中顶层，即ln层中各个联盟领导者做标记φ，这些联盟在向低层生成时，不能与其他同样有φ标记的联盟合并为一个联盟，采用下述方法构建最大的联盟结构：

ln层只有1个联盟结构，取ln层的联盟结构中第1个不含φ标记的联盟，分别与m个含φ标记的联盟合并，形成m个属(ln-1)层的联盟结构，搜索这m个联盟结构并取其中总收益最大的，并对收益最大的联盟结构重复上述操作，直到寻找到第m层中总收益最大的联盟结构。