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基于信息素决策的无人机集群协同搜索算法

吴傲 杨任农 梁晓龙 侯岳奇

吴傲, 杨任农, 梁晓龙, 等 . 基于信息素决策的无人机集群协同搜索算法[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(4): 814-827. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0026
引用本文: 吴傲, 杨任农, 梁晓龙, 等 . 基于信息素决策的无人机集群协同搜索算法[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(4): 814-827. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0026
WU Ao, YANG Rennong, LIANG Xiaolong, et al. Cooperative search algorithm based on pheromone decision for UAV swarm[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(4): 814-827. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0026(in Chinese)
Citation: WU Ao, YANG Rennong, LIANG Xiaolong, et al. Cooperative search algorithm based on pheromone decision for UAV swarm[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(4): 814-827. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0026(in Chinese)

基于信息素决策的无人机集群协同搜索算法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0026
基金项目: 

国家自然科学基金 61703427

国防创新特区项目 

“十三五”装备预研共用技术项目 

详细信息
    作者简介:

    吴傲  男, 硕士研究生。主要研究方向: 航空集群理论与技术、自主空战决策

    杨任农  男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向: 任务规划、自主空战

    梁晓龙  男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向: 航空集群理论与技术、空管智能化、系统建模与仿真

    侯岳奇  男, 博士研究生。主要研究方向: 航空集群智能决策

    通讯作者:

    梁晓龙, E-mail: afeu_lxl@sina.com

  • 中图分类号: V279+.3;V249.122

Cooperative search algorithm based on pheromone decision for UAV swarm

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 61703427

National Defense Innovation Special Zone Project 

"13th Five Year Plan" Equipment Pre-Research Sharing Technology Project 

More Information
  • 摘要:

    针对无人机(UAV)集群在未知环境中无先验信息条件下的搜索问题,提出了一种以信息素为决策机制的无人机集群协同搜索算法。首先,考虑无人机通信约束,建立了有外部节点的星型网络通信和无外部节点的自组织网络通信2种形式的搜索模型。其次,通过环境地图向信息素地图映射的方法建立任务环境模型。将任务过程分为3个阶段,在搜索阶段,无人机通过不断地移动实现本机信息素地图的更新;在通信阶段,通过通信网络实现多机信息素地图的融合;在决策阶段,根据局部信息和全局信息做出决策,并将栅格信息素浓度作为决策函数来引导无人机的位置更新。基于信息素地图覆盖率来定量描述搜索效果。最后,仿真结果表明,所提算法能够对区域进行覆盖搜索,表现为搜索效率高、抗毁性强、受集群的初始位置影响小。

     

  • 图 1  无人机集群协同搜索任务示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of UAV swarm cooperative search task

    图 2  无人机集群及信息素地图任务状态

    Figure 2.  Task status of UAV swarm and pheromone map

    图 3  无人机集群协同搜索任务流程

    Figure 3.  Cooperative search task process of UAV swarm

    图 4  环境地图

    Figure 4.  Environment map

    图 5  无人机运动模型

    Figure 5.  Motion model of UAV

    图 6  有外部节点的星型网络通信示意图

    Figure 6.  Schematic diagram of star network communication with external nodes

    图 7  无外部节点的自组织网络通信示意图

    Figure 7.  Schematic diagram of self-organizing network communication without external nodes

    图 8  环境地图向信息素地图的映射

    Figure 8.  Mapping of environment map to pheromone map

    图 9  星型网络通信流程

    Figure 9.  Process of star network communication

    图 10  自组织网络通信流程

    Figure 10.  Process of self-organizing network communication

    图 11  提取局部信息素地图

    Figure 11.  Extracting local pheromone map

    图 12  提取全局信息素地图

    Figure 12.  Extracting global pheromone map

    图 13  搜索环境初始化

    Figure 13.  Search environment initialization

    图 14  信息素地图初始化

    Figure 14.  Pheromone map initialization

    图 15  星型网络通信模式下搜索效果图

    Figure 15.  Search rendering under star network communication

    图 16  自组织网络通信模式下搜索效果图

    Figure 16.  Search rendering under self-organizing network communication

    图 17  星型网络通信和自组织网络通信下覆盖率随集群密度变化曲线

    Figure 17.  Curves of coverage rate changing with swarm's UAV density under star network communication and self-organizing network communication

    图 18  覆盖率随搜索时间变化曲线

    Figure 18.  Curves of coverage rate changing with search time

    图 19  不同无人机数目下搜索效率随占空比的变化

    Figure 19.  Curves of search efficiency rate changing with duty cycle for different swarm sizes

    图 20  不同无人机数目最佳搜索占空比下的实时覆盖率变化曲线

    Figure 20.  Real-time changing curves of coverage rate in the best search duty cycle for different swarm sizes

    图 21  无故障和有故障时覆盖率实时变化曲线

    Figure 21.  Real-time changing curves of coverage rate with and without fault

    图 22  有故障和无故障时无人机搜索轨迹

    Figure 22.  UAV search trajectory diagram with and without fault

    图 23  四种无人机集群初始位置

    Figure 23.  Four initial positions of UAV swarm

    图 24  四种初始位置下的搜索覆盖率

    Figure 24.  Search coverage rate in 4 initial positions

    表  1  无人机集群协同搜索原则

    Table  1.   Principle of UAV swarm cooperative search

    条件 原则
    搜索效率 覆盖率高
    重叠率低
    搜索时间短
    搜索范围 不飞出搜索边界
    不进入非搜索区域
    初始位置 搜索效率对集群编队的
    初始位置不敏感
    抗毁性 搜索效率受单机故障影响小
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    表  2  星型网络通信模式下搜索结果

    Table  2.   Search results under star network

    决策方式 集群规模 Ts/steps Tc/steps 覆盖率/%
    随机决策 20 200 50 18.732 1
    局部信息决策 20 200 50 70.145 8
    全局信息决策 20 200 50 82.843 8
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    表  3  自组织网络通信模式下搜索结果

    Table  3.   Search results under self-organizing network

    决策方式 集群规模 覆盖率/%
    随机决策 20 20.157 6
    局部信息决策 20 65.458 3
    全局信息决策 20 76.562 5
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-16
  • 录用日期:  2020-04-17
  • 网络出版日期:  2021-04-20

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