CN115239204A - 一种多平台无人机载射频***的协同任务规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多平台无人机载射频***的协同任务规划方法,步骤包括:读入相关信息:UAV相关参数和任务相关参数;根据优先级对某时刻的所有待调度任务进行排序,具有相同优先级的任务则按照期望开始时间从前到后排序;选择排序第一的待调度任务,按照其期望开始时间进行调度,直至待调度任务数为0;下发任务规划方案;下发各无人机节点的调度方案。在满足功能和位置约束的条件下,可根据编队内不同无人机的射频功能实现动态任务规划,从而实现编队协同态势感知。该方法可用于无人机编队的协同态势感知,可提升编队的抗打击、抗摧毁能力,具备实时动态任务规划能力。
Description
技术领域
本发明涉及编队协同任务规划领域,特别是一种多平台无人机载射频***的协同任务规划方法。
背景技术
现代战争中制信息权的掌握是赢得战争胜利的重要保证,机载传感器可以有效克服地基传感器中的地形遮挡问题,对低空和地面、海面目标的探测距离远优于同种体制的地基传感器。无人机作为新兴的机载平台,不受人体极限限制,应用范围越来越广泛。在最近几次的局部战争中,无人机显示了强大的威力,受到世界各国的高度重视。
编队无人机组成通常为异构无人机编队,可能包括若干侦察型无人机、侦察探测型无人机、侦察探测干扰型无人机等。但是,鉴于单无人机平台的最大载荷限制,其射频感知能力有限,所以编队协同态势感知成为未来无人机战场侦察的典型样式和必然趋势。
无人机编队组网进行协同感知的优势包括:(1)可获得更为广阔的战场态势信息,支持不同态势需求;(2)***冗余度高,可获得更可靠的战场态势信息,支持高强度作战;(3)可获得更高精度的目标信息,支持武器***作战;(4)可提高传感器利用效能,并通过协同实现更大程度的电磁静默,保护传感器和平台的安全。因此,本发明主要研究多无人机搭载的射频***的协同任务规划与资源调度问题。
当前,已经有较多的无人机任务规划研究,如基于网格规划算法的编队无人机多角度打击航迹规划方法( CN112327927A)中的无人机多角度打击航迹规划、一种基于分解思想的高效多无人机协同航迹规划方法( CN108958285A)等,其中多为无人机的航迹规划,尚未涉及到射频***协同的任务规划与调度研究,针对上述问题,目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
为克服单平台无人机载射频***功能少、能力低的缺点,实现编队协同态势感知能力,本发明提出了一种针对异构无人机载射频***的协同任务规划方法,在满足功能和位置约束的条件下,可根据编队内不同无人机的射频功能实现动态任务规划,从而实现编队协同态势感知。该方法可用于无人机编队的协同态势感知,可提升编队的抗打击、抗摧毁能力,具备实时动态任务规划能力。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种多平台无人机载射频***的协同任务规划方法,步骤包括:
Step 1: 读入相关信息:
UAV相关参数:无人机的数量M,每个无人机具备的射频能力,无人机的位置坐标;
Step 2: 根据优先级对某时刻的所有待调度任务进行排序,具有相同优先级的任务则按照期望开始时间从前到后排序;
Setp 3: 选择排序第一的待调度任务,按照其期望开始时间进行调度,节点选择策略如下;
i) 根据无人机具备的能力,选择满足能力需求的所有无人机;
ii) 排列出所有的可能无人机组合;
iii) 排列出所有组合的可能的时间;
iv) 选择所有满足位置要求的组合;
v) 在满足上述要求的组合中,优先选择完成任务较少且当前时间利用率较低的节点组合;
vi)生成相应的无人机任务执行序列;
Step 4: 继续Step 3,直至待调度任务数为0;
Step 5: 下发任务规划方案;
Step 6: 下发各无人机节点的调度方案。
任务规划策略包括:a) 优先规划任务优先级高的任务,有利于提高任务规划总收益;
b) 当同一优先级具有多个任务时,优先规划期望开始时间靠前的;
c) 在多节点任务规划中,当满足功能、位置和时间约束等条件时,优先选择完成任务较少且当前时间利用率较低的节点,用于最小化任务均衡率。
约束条件包括:
功能约束:被规划的无人机节点必须具备相应的射频任务能力,才能对其进行相应的任务规划,假设在时刻,具备执行任务的节点集为,规划的无人机节点子群为,则其功能约束可以表示为,即规划的节点必须隶属于相应的节点集;
位置约束:对于有位置要求的协同任务,如无源定位、协同探测等任务的规划,节点间位置必须满足一定的张角要求,如多站对目标张角满足回波相关条件,即
射频资源约束:同一射频***在同一时刻只能执行同一任务;
评价指标包括:
加权任务规划总收益:任务规划收益用规划成功率表示,即规划成功的任务数与所有请求的任务总数的比值,引入作为第j个任务的规划收益加权值,定义加权后的任务规划收益,其中为引入的布尔参数,代表第j个任务的执行情况;为第j个任务的优先级,执行的任务越多,执行的任务优先级越高,规划收益越高,如果所有的任务均被成功规划,W获得最大收益值,值为1;
时间利用率:对于所有的射频任务,都需要波束在任务方向保持一定的时间,被定义为驻留时间,时间利用率即成功规划任务的驻留时间和波束转换时间之和占总时间的比例,将所有节点的调度间隔和时间利用率叠加起来求平均,表示为
,其中为第m个无人机成功执行的第j个任务的驻留时间,为第m个无人机成功执行的任务数量,为波束转换时间,为调度间隔,对于给定的调度间隔,时间利用率越高,任务调度效能越高,调度算法越优,时间利用率的最高值为1;
时间偏移率:由于资源冲突,每个任务的实际执行时间可以在其时间窗内前后移动,使存在冲突的任务也可以成功调度,对于单一任务的资源调度,时间偏移率是指任务的实际执行时间与原期望执行时间的偏差与其时间窗的比值,对于编队无人机,时间偏移率需要计算所有节点任务的时间偏移率然后取平均,表达式如下
任务均衡率:为了保持单节点任务规划的成功率,应该对单节点的任务率进行优化,保持各节点的任务均衡,避免部分节点任务量稀疏,而部分任务量超标而降低任务规划总收益,定义任务均衡率u,其与各节点的任务率与任务数量和每个任务的驻留时间、波束切换时间均相关,表达式为
根据评价指标,建立适应度函数,记为
相比于现有技术,本发明的优点在于:本发明提出的无人机编队射频协同的任务规划方法,在满足功能、时间、位置等约束条件下,可实现异构无人机的不同节点数量的无人机协同任务规划,具备准实时规划能力,可用于未来无人机或舰艇、陆基平台的射频***或其它类似***的协同任务规划中,可进一步拓展单平台射频***的能力,提升编队态势感知能力,且增强了体系对抗能力和抗饱和打击能力。本发明也可拓展用于同构同节点同类型任务的多平台协同规划中,可拓展性强,具有较强的实际应用能力。
附图说明
图1为本发明协同任务中的位置约束示意图。
图2为本发明流程图。
图3为无人机的分布示意图。
图4为探测场景图。
图5为协同任务规划无人机执行任务分布图。
图6为协同任务规划二维图。
图7为任务延时情况。
图8为各UAV时间利用率。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例,对本发明作详细描述。
编队无人机的射频任务规划主要是基于无人机的当前坐标、射频***的能力以及任务类型进行无人机的任务规划和资源调度。待规划任务包括单节点任务和多节点任务,其中多节点任务需要的节点数量也不同。本发明主要解决了异构无人机编队协同态势感知中协同节点和协同时间的规划问题,通过约束条件、评价指标和规划策略的设计,实现了编队无人机射频任务的协同多任务规划。
如图2所示,一种多平台无人机载射频***的协同任务规划方法,步骤包括:
Step 1: 读入相关信息:
UAV相关参数:无人机的数量M,每个无人机具备的射频能力,无人机的位置坐标;
Step 2: 根据优先级对某时刻的所有待调度任务进行排序,具有相同优先级的任务则按照期望开始时间从前到后排序;
Setp 3: 选择排序第一的待调度任务,按照其期望开始时间进行调度,节点选择策略如下;
i) 根据无人机具备的能力,选择满足能力需求的所有无人机;
ii) 排列出所有的可能无人机组合;
iii) 排列出所有组合的可能的时间;
iv) 选择所有满足位置要求的组合;
v) 在满足上述要求的组合中,优先选择完成任务较少且当前时间利用率较低的节点(组合);
vi)生成相应的无人机任务执行序列;
Step 4: 继续Step 3,直至待调度任务数为0;
Step 5: 下发任务规划方案;
Step 6: 下发各无人机节点的调度方案。
任务规划策略包括:a) 优先规划任务优先级高的任务,有利于提高任务规划总收益;
b) 当同一优先级具有多个任务时,优先规划期望开始时间靠前的;
c) 在多节点任务规划中,当满足功能、位置和时间约束等条件时,优先选择完成任务较少且当前时间利用率较低的节点,用于最小化任务均衡率。
约束条件包括:
功能约束:被规划的无人机节点必须具备相应的射频任务能力,才能对其进行相应的任务规划,假设在时刻,具备执行任务的节点集为,规划的无人机节点子群为,则其功能约束可以表示为,即规划的节点必须隶属于相应的节点集;
如图1所示,位置约束:对于有位置要求的协同任务,如无源定位、协同探测等任务的规划,节点间位置必须满足一定的张角要求,如多站对目标张角满足回波相关条件,即
射频资源约束:同一射频***在同一时刻只能执行同一任务;
评价指标包括:
加权任务规划总收益:任务规划收益用规划成功率表示,即规划成功的任务数与所有请求的任务总数的比值,但是为了更好的体现任务优先级的影响,引入作为第j个任务的规划收益加权值,定义加权后的任务规划收益,其中为引入的布尔参数,代表第j个任务的执行情况;为第j个任务的优先级,执行的任务越多,执行的任务优先级越高,规划收益越高,如果所有的任务均被成功规划,W获得最大收益值,值为1;
时间利用率:对于所有的射频任务,都需要波束在任务方向保持一定的时间,被定义为驻留时间,时间利用率即成功规划任务的驻留时间和波束转换时间之和占总时间的比例,将所有节点的调度间隔和时间利用率叠加起来求平均,表示为
,其中为第m个无人机成功执行的第j个任务的驻留时间,为第m个无人机成功执行的任务数量,为波束转换时间,为调度间隔,对于给定的调度间隔,时间利用率越高,任务调度效能越高,调度算法越优,时间利用率的最高值为1;
时间偏移率:由于资源冲突,每个任务的实际执行时间可以在其时间窗内前后移动,使存在冲突的任务也可以成功调度,对于单一任务的资源调度,时间偏移率是指任务的实际执行时间与原期望执行时间的偏差与其时间窗的比值,对于编队无人机,时间偏移率需要计算所有节点任务的时间偏移率然后取平均,表达式如下
任务均衡率:为了保持单节点任务规划的成功率,应该对单节点的任务率进行优化,保持各节点的任务均衡,避免部分节点任务量稀疏,而部分任务量超标而降低任务规划总收益,针对本文的无人机编队协同,定义任务均衡率u,其与各节点的任务率与任务数量和每个任务的驻留时间、波束切换时间均相关,表达式为
根据评价指标,建立适应度函数,记为
假设编队包括8架无人机,每个无人机节点具备的能力不同,具体见表1所示,“1”代表具备该能力,“0”则反之。节点的能力决定了其是否可以参加某类型任务的分配,如节点1仅具备无源侦察能力,不具备雷达探测能力和干扰能力,所以其仅能参加侦察类任务的优化和调度。
表1同时给出了所有无人机节点的物理位置。本文中无人机和目标的地理位置坐标采用随机生成的方式,满足均匀随机分布。无人机节点的位置限制在1km的正方体区域内,其x和y坐标范围为(199500m,200500m),高度范围限制在(4500m,5500m),如图3所示。如约束条件中介绍,无人机的坐标在优化时参与最优化计算,协同任务规划时需要满足位置约束条件。
表1 无人机节点具备的能力和坐标
仿真的任务类型及相关参数如表2所示,共20个任务,包括每个任务的优先级、需要的节点数及每个任务的驻留时间、时间窗、坐标、开始时刻及截止时刻等。任务坐标限制在400km*400km*20km的范围内,满足随机均匀分布规律,与无人机编队的相对关系如图4所示。
表2 待规划任务参数表
图5~图8给出了协同任务规划结果,其中图5通过三维方式表示了任务与无人机节点的关系,图中右边的颜色条对应排序后的1~20号任务,横轴为规划时间,纵轴为无人机节点1~8#。图中相同时间的相同颜色代表执行的为同一任务。图6为任务规划的二维结果显示,横轴、纵轴与图5相同,其中“*”线图的长度代表了任务的驻留时间,“*”线图的开始时间和结束时间即代表任务的实际执行时间和完成时间。结合两张图可以看出,1#无人机执行的任务为4项,8#无人机执行的任务为8项;完成任务数量最少的无人机为7#无人机。
图7给出了各任务的执行时间相对于期望开始时间的延迟时间,可以看出,有12项的延时为0,即按照原期望时间执行的。
图8为各UAV的时间利用率,其中利用率最高的为3#无人机,最低的为7#无人机。7#无人机时间利用率低的原因主要是因为其射频功能相对单一,只具备侦察能力,而不能参与雷达探测和电子干扰的任务。同样的,1#无人机也仅具备侦察能力,但是时间利用率高于7#无人机,这与无人机的位置相关,同时与随机生成的任务列表有关。
Claims (5)
1.一种多平台无人机载射频***的协同任务规划方法,其特征在于步骤包括:
Step 1: 读入相关信息:
UAV相关参数:无人机的数量M,每个无人机具备的射频能力,无人机的位置坐标;
Step 2: 根据优先级对某时刻的所有待调度任务进行排序,具有相同优先级的任务则按照期望开始时间从前到后排序;
Setp 3: 选择排序第一的待调度任务,按照其期望开始时间进行调度,节点选择策略如下;
i) 根据无人机具备的能力,选择满足能力需求的所有无人机;
ii) 排列出所有的可能无人机组合;
iii) 排列出所有组合的可能的时间;
iv) 选择所有满足位置要求的组合;
v) 在满足上述要求的组合中,优先选择完成任务较少且当前时间利用率较低的节点组合;
vi)生成相应的无人机任务执行序列;
Step 4: 继续Step 3,直至待调度任务数为0;
Step 5: 下发任务规划方案;
Step 6: 下发各无人机节点的调度方案。
2.根据权利要求1所述的一种多平台无人机载射频***的协同任务规划方法,其特征在于任务规划策略包括:a) 优先规划任务优先级高的任务,有利于提高任务规划总收益;
b) 当同一优先级具有多个任务时,优先规划期望开始时间靠前的;
c) 在多节点任务规划中,当满足功能、位置和时间约束等条件时,优先选择完成任务较少且当前时间利用率较低的节点,用于最小化任务均衡率。
3.根据权利要求1或2所述的一种多平台无人机载射频***的协同任务规划方法,其特征在于约束条件包括:
功能约束:被规划的无人机节点必须具备相应的射频任务能力,才能对其进行相应的任务规划,假设在时刻,具备执行任务的节点集为,规划的无人机节点子群为,则其功能约束可以表示为,即规划的节点必须隶属于相应的节点集;
位置约束:对于有位置要求的协同任务,如无源定位、协同探测等任务的规划,节点间位置必须满足一定的张角要求,如多站对目标张角满足回波相关条件,即
射频资源约束:同一射频***在同一时刻只能执行同一任务;
4.根据权利要求1或2所述的一种多平台无人机载射频***的协同任务规划方法,其特征在于评价指标包括:
加权任务规划总收益:任务规划收益用规划成功率表示,即规划成功的任务数与所有请求的任务总数的比值,引入作为第j个任务的规划收益加权值,定义加权后的任务规划收益,其中为引入的布尔参数,代表第j个任务的执行情况;为第j个任务的优先级,执行的任务越多,执行的任务优先级越高,规划收益越高,如果所有的任务均被成功规划,W获得最大收益值,值为1;
时间利用率:对于所有的射频任务,都需要波束在任务方向保持一定的时间,被定义为驻留时间,时间利用率即成功规划任务的驻留时间和波束转换时间之和占总时间的比例,将所有节点的调度间隔和时间利用率叠加起来求平均,表示为
,其中为第m个无人机成功执行的第j个任务的驻留时间,为第m个无人机成功执行的任务数量,为波束转换时间,为调度间隔,对于给定的调度间隔,时间利用率越高,任务调度效能越高,调度算法越优,时间利用率的最高值为1;
时间偏移率:由于资源冲突,每个任务的实际执行时间可以在其时间窗内前后移动,使存在冲突的任务也可以成功调度,对于单一任务的资源调度,时间偏移率是指任务的实际执行时间与原期望执行时间的偏差与其时间窗的比值,对于编队无人机,时间偏移率需要计算所有节点任务的时间偏移率然后取平均,表达式如下
任务均衡率:为了保持单节点任务规划的成功率,应该对单节点的任务率进行优化,保持各节点的任务均衡,避免部分节点任务量稀疏,而部分任务量超标而降低任务规划总收益,定义任务均衡率u,其与各节点的任务率与任务数量和每个任务的驻留时间、波束切换时间均相关,表达式为
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