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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
  • [1] 梁晓龙, 何吕龙, 张佳强, 等. 航空集群构型控制及其演化方法[J]. 中国科学: 技术科学, 2019, 49(3): 277-287. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JEXK201903004.htm

    LIANG X L, HE L L, ZHANG J Q, et al. Configuration control and evolutionary mechanism of aircraft swarm[J]. Scientia Sinica Technologica, 2019, 49(3): 277-287(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JEXK201903004.htm
    [2] 梁晓龙, 孙强, 尹忠海, 等. 大规模无人系统集群智能控制方法综述[J]. 计算机应用研究, 2015, 32(1): 17-22. doi: 10.3969/j.issn.1001-3695.2015.01.004

    LIANG X L, SUN Q, YIN Z H, et al. Review on large-scale unmanned system swarm intelligence control method[J]. Application Research of Computers, 2015, 32(1): 17-22(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-3695.2015.01.004
    [3] HU J, XIE L, XU J, et al. Multi-agent cooperative target search[J]. Sensors, 2014, 14(6): 9408-9428. doi: 10.3390/s140609408
    [4] HU J, XIE L, XU J, et al.Vision-based multi-agent cooperative target search[C]//International Conference on Control Automation Robotics & Vision.Piscataway: IEEE Press, 2014: 895-900.
    [5] 刘重, 高晓光, 符小卫. 带信息素回访机制的多无人机分布式协同目标搜索[J]. 系统工程与电子技术, 2017, 39(9): 1998-2011. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XTYD201709013.htm

    LIU C, GAO X G, FU X W.Multi-UAVs distributed cooperative target search algorithm with controllable revisit mechanism based on digital pheromone[J]. Systems Engineering and Electronics, 2017, 39(9): 1998-2011(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XTYD201709013.htm
    [6] 彭辉, 沈林成, 朱华勇. 基于分布式模型预测控制的多UAV协同区域搜索[J]. 航空学报, 2010, 31(3): 593-601. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201003029.htm

    PENG H, SHEN L C, ZHU H Y.Multiple UAV cooperative area search based on distributed model predictive control[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2010, 31(3): 593-601(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201003029.htm
    [7] 侯岳奇, 梁晓龙, 何吕龙, 等. 未知环境下无人机集群协同区域搜索算法[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(2): 347-356. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0230

    HOU Y Q, LIANG X L, HE L L, et al. Cooperative area search algorithm for UAV swarm in unknown environment[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(2): 347-356(in Chinese). doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0230
    [8] 吴青坡, 周绍磊, 刘伟, 等. 基于集散式模型预测控制的多无人机协同分区搜索[J]. 控制理论与应用, 2015, 32(10): 1414-1421. doi: 10.7641/CTA.2015.50482

    WU Q P, ZHOU S L, LIU W, et al. Multi-unmanned aerial vehicles cooperative search based on central-distributed model predictive control[J]. Control Theory & Applications, 2015, 32(10): 1414-1421(in Chinese). doi: 10.7641/CTA.2015.50482
    [9] 吴文超, 黄长强, 宋磊, 等. 不确定环境下的多无人机协同搜索航路规划[J]. 兵工学报, 2011, 32(11): 1337-1342. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BIGO201111007.htm

    WU W C, HUANG C Q, SONG L, et al. Cooperative search and path planning of multi-unmanned air vehicles in uncertain environment[J]. Acta Armamentarii, 2011, 32(11): 1337-1342(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BIGO201111007.htm
    [10] 符小卫, 李建, 高晓光. 带通信约束的多无人机协同搜索中的目标分配[J]. 航空学报, 2014, 35(5): 1347-1356. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201405020.htm

    FU X W, LI J, GAO X G.Target allocation in multi-UAV cooperative search with communication constraints[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2014, 35(5): 1347-1356(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HKXB201405020.htm
    [11] BERTUCCELLI L F, HOW J P.Robust UAV search for environments with imprecise probability maps[C]//Proceedings of the European Control Conference CDC-ECC on Decision & Control.Piscataway: IEEE Press, 2005: 5680-5685.
    [12] 沈东, 魏瑞轩, 茹常剑. 基于数字信息素的无人机集群搜索控制方法[J]. 系统工程与电子技术, 2013, 35(3): 591-596. doi: 10.3969/j.issn.1001-506X.2013.03.24

    SHEN D, WEI R X, RU C J.Digital-pheromone-based control method for UAV swarm search[J]. Systems Engineering and Electronics, 2013, 35(3): 591-596(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-506X.2013.03.24
    [13] 朱创创, 梁晓龙, 张佳强, 等. 无人机集群编队控制演示验证系统[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(8): 1739-1747. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0600

    ZHU C C, LIANG X L, ZHANG J Q.Demonstration and verification system for UAV swarm formation control[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(8): 1739-1747(in Chinese). doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0600
    [14] WAN S G, MA X T, LI K.Application research of star wireless sensor network[J]. Communications Technology, 2009, 42(3): 173-176.
    [15] 刘昕. 军用无人机自组网技术研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2014: 15-20.

    LIU X.Study of MANET for military UAVs[D].Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2014: 15-20(in Chinese).
    [16] PARUNAK H V, PURCELL M, O'CONNELL R.Digital pheromones for autonomous coordination of swarming UAV's[C]//Proceedings of the 1st UAV Conference.Reston: AIAA, 2002: 20-23.
    [17] SAUTER J A, MATTHEWS R S, PARUNAK H V D, et al.Performance of digital pheromones for swarming vehicle control[C]//4th International Joint Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems.Utrecht: DBLP, 2005: 25-29.
    [18] PARUNAK H V D, BRUECKNER S A, SAUTER J A.Digital pheromones for coordination of unmanned vehicles[C]//First International Joint Conference on Autonomous Agents & Multiagent Systems.Utrecht: DBLP, 2004: 246-263.
    [19] BREEN M F, LESHNER A I.Maternal pheromone: A demonstration of its existence in the mouse (Mus musculus)[J]. Physiology and Behavior, 1977, 18(3): 527-529. doi: 10.1016/0031-9384(77)90269-4
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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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