[发明专利]一种无人机群冲突解脱方法

说明书

本发明公开了一种无人机群冲突解脱方法，包括：初始化运行时间周期T和各无人机及联盟参数，无人机参数包括己方位置、目标位置及所属联盟，联盟参数包括联盟内部各无人机位置及其权重等；通过场方法构建的人工势场与人工涡旋场来计算加速度参考值，并结合权重信息确定各无人机的最终控制输出量；无人机群任务执行过程中检测能否进行联盟合并，并相应地对联盟信息进行更新，其中基于夏普利值法来对联盟内无人机权值。本发明充分利用了联盟内部信息，并从博弈论方法的角度对场方法易陷入局部最优的缺陷进行了补正，对空域内存在大量无人机的集群控制问题有较好的处理能力，为无人机群协同工作时的冲突解脱问题提供了一种有效而稳定的解决方案。

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，涉及一种无人机群的合作博弈与冲突解脱方法。

背景技术

随着无人机技术的发展，无人机可帮助人们执行的任务日益增多也愈加复杂，在单个无人机已无法满足任务需求的情况下，如何让多无人机进行协同合作成为了人们关注的重点。冲突解脱完成的目标即确保无人机群工作过程中的安全性，使任务执行机群从起始点到达目标点的过程中避免与其他已知或未知的物体发生碰撞。考虑到无人机群执行任务的低空环境较为复杂多变，且参与协同的机体数目较多，调整无人机飞行策略方法的时效性与灵活性值得密切关注。

目前对于无人机冲突解脱的方法主要划分为集中式冲突解脱方法与分布式冲突解脱方法。第一种，集中式冲突解脱方法一般是由地面控制中心对所有空域中的飞行器进行管控，譬如枚举法对工作区域内所有无人机的可行路径空间进行搜索并选择最优解，或使用粒子群算法启发式搜索可行域中的最优解。该类方法的优势在于可以宏观地获得全局最优的飞行策略，从而可以完成“战略性”地冲突解脱任务，因而适用于具有长距离飞行任务的机群；但同时该类方法计算量庞大，执行缓慢，且对飞行器的通信能力要求较高，而这些都与无人机群的任务要求方面产生了较大矛盾。第二种，分布式冲突解脱方法如场方法、博弈论方法等，则不需要地面控制中心的参与，飞行器间的协调要求可以通过工作区域中所参与飞行器直接通信完成，甚至不需要通信也可以完成，灵活性很高，在面对较大规模无人机群的协同任务情景下也能获得可观的结果。

场方法作为路径规划的常用算法之一，其思路是设计一个抽象的虚拟力场来控制机体运动，其中可通过人工势场来计算各机体的线加速度，通过人工涡旋场来计算各机体的角加速度，总体上通过目标点提供的“引力”与障碍物的“斥力”来实现冲突解脱并完成目标任务的。由于该方法模拟了物理学情景，所以规划出来的路径较为平滑安全；但这种方法同时也对参数设计较为敏感，容易陷入局部最优，因此如何克服这一问题是场方法实现的关键。

博弈论方法解决的是在存在竞争或合作的情景当中，个体如何选择自己的策略使其收益最大化的问题，对于不同的情景又可划分为策略博弈、扩展博弈、合作博弈等。对于策略博弈，通常的方法是通过求解纳什均衡解并验证其唯一性来保证全局的最优解；而对于合作博弈则没有固定的方法来求解全局最优，一般考虑的求解工具包括核、冯诺依曼-摩根斯坦稳定解集、夏普利值等方法。

对于无人机群而言，由于任务的复杂性，单个机体的轨迹改变必然会影响到其他机体的航线，因此在冲突发生的时候，理想的结果是让那些可能对其他机体航线影响较大的机体尽量减小其轨迹变化，而让那些不太会对其他机体航线产生干扰的机体来完成避撞的机动。

发明内容