[发明专利]基于滚动时域法的多无人机协同打击任务分配方法

摘要

本发明针对基于滚动时域法的多无人机协同打击的任务分配问题，属于多无人机协调控制技术领域。首先建立了无人机的能力函数，然后通过能力函数的雅可比矩阵，给出多无人机协同打击位置的计算方法；进而建立了无人机毁伤代价指标函数、航程代价指标函数和多无人机协同任务分配模型，并利用滚动时域法，将机动决策问题建模为最优控制问题，然后将整个机动接敌过程进行时间和空间的离散化，分段求取最佳的机动策略，给出了多无人机协同打击任务的最优决策方法。本发明能够获得更大的目标收益值和毁伤效能，且提高了多无人机协同打击能力。

主权项

1.基于滚动时域法的多无人机协同打击任务分配方法，其特征在于包括以下步骤：/n步骤1：无人机能力函数及协同打击航程的计算；/n步骤1.1：无人机能力函数的建立，量化无人机对目标的打击能力；/n无人机与目标的初始三维位置数值信息分别用下列矩阵表示：/n /n其中，n表示无人机的数量，m表示目标数量；/n无人机i与目标j的距离d_ij描述为/n /n设无人机的作战半径为D_i,假定能力函数的最大值为1,目标j获得无人机的能力函数B_i为：/n /n步骤1.2：雅可比矩阵的建立；/n步骤1.3：多无人机协同打击位置的计算；/n步骤1.4：多无人机协同打击航程的计算；/n第l种分配方案g个时间步长的各无人机的位置信息从而得到各种策略我方无人机的航程为：/n /n步骤2：多无人机协同任务分配模型的建立；/n步骤2.1：建立目标价值收益指标函数：/n若无人机对目标的杀伤概率矩阵为P＝[P_1j P_2j … P_mj]，则第i架无人机对目标的杀伤概率为：/n /nη_i是在t_k＜t＜t_k+1期间敌方防空火力j被无人机摧毁的概率，考虑到防空火力和目标之间的距离越近，防空火力被无人机摧毁的概率越大，则：/n /nη_i为第i架无人机对目标的单发命中概率，且无人机对目标打击是相互独立的事件，n_i为第i架无人机携带的武器数；这里d_ij为无人机i与目标j的距离,u_m为我方无人机有效射程，是当无人机与敌方防空火力m接触时摧毁无人机的效能；假设目标价值集合为为我方打击收益的最大值，即则收益指标函数为：/n /n若q架无人机合作同时攻击第j个目标，则我方q架无人机攻击敌方第j地面目标的收益指标函数为：/n /n步骤2.2：建立毁伤代价指标函数/n在我方无人机对敌方目标进行攻击过程中，我方无人机损耗是指敌方目标防守火力反击对我方无人机造成的损失，我方每个无人机损耗为我方无人机的损伤程度与该无人机价值的乘积，假设各目标对第i架无人机造成毁伤为相互独立的事件，P′_ij(q+1)为在t_q＜t＜t_q+1期间第i架无人机在攻击第j个目标过程中遭受的毁伤概率，可表示为：/n /nM_n是敌方防空火力的数量，δ_n(q+1)是在t_q＜t＜t_q+1期间无人机被敌方防空火力j摧毁的概率，考虑到防空火力和目标之间的距离越近，无人机在攻击该目标时被防空火力摧毁的概率越大，则δ_n(q+1)表示为：/n /n这里d_ij为无人机i与目标j的距离，e_j为敌方防空火力的有效射程；θ_j∈[0,1]是当敌方第j个防空火力与无人机接触时摧毁无人机的效能；则无人机在攻击各个目标时受到来自敌方防空火力的攻击,则在整个打击任务过程中,该无人机的总的毁伤代价损失为/n /n这里为第i架无人机的价值；/n步骤2.3：建立航程代价指标函数/n无人机的执行任务航程代价与无人机执行任务期间飞行的路径有正相关的关系，则航程代价可用下式表示：/n /n其中，S_i为无人机i实际飞行的航程，即无人机i初始位置与打击位置之间的距离，S_max为所有无人机i实际飞行的最大航程；/n步骤2.4：建立多无人机协同打击任务的总体收益模型/n在目标分配时,目的是在保证多无人机编队完成预定任务的情况下，能通过攻击敌方目标，获得最大的价值收益，同时使我方付出的代价达到最小，另外作战过程中由于考虑的各指标的重要性不同，即权重不同，由此，分配模型的总体目标函数可表示为:/n /n /ns.t./n /n /nw₁+w₂+w₃＝1 (25)/nw₁、w₂和w₃分别代表攻击目标所获的价值收益指标,攻击目标过程中的毁伤代价权重,航程代价指标权重；公式(23)要求每架无人机每次最多分配给一个目标，公式(24)要求最多h架无人机协同打击一个目标，h根据实际打击任务的要求而定，且h≤n；/n步骤3：通过滚动时域控制及其数值解法，将机动决策问题建模为最优控制问题，然后将整个机动接敌过程进行时间和空间的离散化，分段求取最佳的机动策略，给出了多无人机协同打击任务的最优决策方法，具体包括：/n步骤3.1：利用滚动时域控制方法获得获取最优开环控制函数；/n步骤3.2：直接多重打靶的参数化方法将上述最优控制问题转化为非线性规划(NLP)问题进行求解。/n