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內容簡介

　　多無人飛行器協同航跡控製（軍隊院校“2110”建設項目）

　　現代信息化戰爭越來越強調體係間對抗和多係統協同作戰,單無人飛行器單獨執行任務的可能性越來越小。相對於單飛行器而言,多無人飛行器協同,能夠執行更加多樣化的任務,係統生存能力顯著提升,對復雜戰場環境的適應能力更強。多無人飛行器協同控製問題已成為多無人飛行器係統相關技術領域的研究熱點。本書結閤作者的研究工作,圍繞多無人飛行器協同執行作戰任務對協同控製基本理論和關鍵技術展開探討,主要針對多無人飛行器協同控製係統結構、協同分配優化、協同航跡規劃、具有時間約束的協同航跡控製、協同編隊控製等方麵展開闡述。本書可作為高等院校或科研院所中從事無人機係統工程、無人飛行器航跡規劃及仿真的科研工作者和工程技術人員的參考用書,也適閤於人工智能、導航與製導、信息處理等相關專業的師生和科研人員參考。

目錄

第1章 緒論
1.1 背景和意義
1.2 無人機的現狀與發展
1.2.1 美國典型無人機
1.2.2 以色列典型無人機
1.2.3 俄羅斯典型無人機
1.2.4 無人機的發展
1.3 協同控製應用與研究現狀
1.3.1 應用現狀
1.3.2 研究現狀
1.4 本書內容和安排

第2章 多無人飛行器協同控製係統結構
2.1 多無人飛行器協同的作戰樣式
2.2 多無人飛行器協同的戰術特點
2.2.1 多無人飛行器的戰術特點
2.2.2 多無人飛行器協同的特點
2.3 多無人飛行器協同控製體係結構
2.3.1 集中式控製體係結構
2.3.2 分散式控製體係結構
2.3.3 分布式控製體係結構
2.3.4 多級分布式控製體係結構
2.3.5 基於層次分解的分層控製策略
2.4 本章小結

第3章 多無人飛行器戰場環境模型
3.1 戰場空間的相關概念
3.2 威脅源的分類
3.3 禁飛區分析
3.4 戰場環境模型建立
3.4.1 雷達威脅場建模
3.4.2 高炮威脅場建模
3.4.3 防空導彈威脅場建模
3.5 本章小結

第4章 基於混閤遺傳算法的單無人飛行器航跡規劃
4.1 遺傳算法基礎
4.1.1 遺傳算法的基本思想
4.1.2 遺傳算法的基本框架
4.2 混閤遺傳算法設計
4.2.1 初始種群的改進
4.2.2 遺傳算子的改進
4.2.3 與其他優化方法的結閤
4.2.4 性能對比
4.3 求解多目標多約束優化問題的遺傳算法
4.3.1 遺傳算法處理約束的方法
4.3.2 遺傳算法處理多目標的方法
4.4 初始航跡
4.4.1 鏈接圖法
4.4.2 仿真研究
4.5 遺傳算法對初始航跡的優化
4.5.1 航跡編碼
4.5.2 航跡代價選取
4.5.3 仿真研究
4.6 本章小結

第5章 基於混閤遺傳算法的多無人飛行器航跡規劃
5.1 多航跡規劃
5.1.1 多航跡規劃問題描述
5.1.2 多航跡規劃的關鍵
5.2 單目標航跡規劃
5.2.1 基於遺傳算法的單目標協同航跡規劃
5.2.2 仿真研究
5.3 多目標協同航跡規劃
5.3.1 基於遺傳算法的多目標協同航跡規劃
5.3.2 仿真研究
5.4 本章小結

第6章 多無人飛行器分配優化
6.1 引言
6.2 多目標優化方法
6.3 協同目標分配優化
6.3.1 目標分配原則
6.3.2 協同目標分配的數學模型
6.3.3 基於匈牙利算法的平衡指派算法
6.3.4 基於改進匈牙利算法的非平衡指派算法
6.4 協同火力分配優化
6.4.1 無人飛行器火力分配優化模型的建立與求解
6.4.2 無人飛行器火力分配優化問題實例
6.4.3 火力分配優化的結論
6.5 本章小結

第7章 威脅環境下多無人飛行器協同航跡規劃
7.1 引言
7.2 基於擴展Voronoi圖的多飛行器協同航跡規劃算法
7.2.1 多飛行器協同航跡規劃的特點和航跡約束條件
7.2.2 Voronoi圖的性質及生成方法
7.2.3 威脅環境下擴展’Voronoi圖的建立
7.2.4 初始航跡的産生
7.2.5 航跡動態優化處理
7.2.6 航跡代價的協同分配
7.3 多飛行器協同航跡規劃實驗與分析
7.3.1 4枚導彈攻擊4個目標的實驗與分析
7.3.2 6枚導彈攻擊6個目標的實驗與分析
7.3.3 9枚導彈攻擊9個目標的實驗與分析
7.3.4 不同威脅環境下仿真時間的比較與分析
7.3.5 導彈數量與目標數量不一緻的實驗與分析
7.3.6 威脅突然變化和目標突然變化的實驗與分析
7.4 三種協同航跡規劃算法的比較
7.4.1 基於柵格法的協同航跡規劃
7.4.2 基於可視圖法的協同航跡規劃
7.4.3 三種算法的比較
7.5 本章小結

第8章 具有時間約束的多無人飛行器協同航跡控製
8.1 引言
8.2 多飛行器協同航跡控製問題
8.3 多級分布式協同控製在協同時間中的應用
8.3.1 協同時間與協同控製結構
8.3.2 協同變量與協同函數
8.3.3 在協同時間問題中的應用
8.4 威脅環境下具有時間約束的動態航跡規劃算法
8.4.1 航跡切換段
8.4.2 動態航跡控製段
8.4.3 基於擴展Voronoi圖的動態航跡規劃
8.4.4 仿真結果與分析
8.5 本章小結

第9章 多無人飛行器編隊控製
9.1 編隊結構問題研究
9.1.1 編隊控製對無人機的性能要求
9.1.2 改進的領機-僚機編隊模式
9.1.3 無人機編隊協同優化組織結構
9.2 編隊保持控製器設計
9.2.1 基本編隊飛行控製模型的建立
9.2.2 基於相對誤差的三維編隊控製器設計
9.2.3 仿真結果與分析
9.3 編隊避障問題研究
9.3.1 編隊變形避障
9.3.2 編隊變換避障
9.4 本章小結
參考文獻

前言/序言

　　無人飛行器(UnmannedAerialVehicle,UAV)是指由動力驅動、機上無人駕駛的航空飛行器,泛指在大氣層內或大氣層外空間(太空)飛行的無人機、導彈、無人飛艇等飛行物。無人飛行器是新軍事變革的代錶性裝備,具有突防能力強、製導精度高、機動性好、效費比高的優點,正迅速成為現代軍事力量的重要組成部分,充分體現瞭未來戰爭信息化、網絡化、無人化、非接觸的特點,是最符閤未來戰爭需求和世界裝備發展潮流的航空武器裝備,已逐步成為現代戰爭不可或缺的重要裝備之一。隨著無人飛行器技術和性能的不斷發展,其軍事任務需求的不斷提高,很多情況下,單架無人飛行器已無法滿足任務要求,若能由多架無人飛行器協同工作,則它們不但能完成單架飛行器不能完成的任務,而且能使係統的作戰效能大幅提高。無人飛行器協同是以無人飛行器協同係統為研究對象,在高度非結構化、具有角度和時間約束的動態不確定環境中,無需或隻需最少人工乾預,以集中或分布的方式選擇和協調多個混閤平颱之間的行為來完成一個共同的目標。多無人飛行器係統通過協同獲得比相互獨立設計的單架無人飛行器更有效的工作能力。多無人飛行器協同控製並不是各飛行器控製功能的簡單疊加,整個係統的能力是通過飛行器之間的緊密協作完成的,通過一體化無縫通信網絡實現信息共享,並通過一定的協同策略,綜閤分析、處理、分發各種戰場信息數據,根據係統的共同利益承擔共同的目標,從而在整個協同係統內實現共同的導航與控製。本書是作者自2004年以來從事無人飛行器協同控製研究工作的總結。一部分研究是針對無人機展開的,有些研究的假定對象是導彈,在具體章節中都予以說明。本書共分9章,具體內容安排如下:第1章“緒論”概述無人飛行器的背景和意義,探究瞭以美國、以色列和俄羅斯為代錶的無人機的現狀與發展;研究美國無人機協同控製的應用現狀,並從多無人飛行器協同分配、多無人飛行器協同航跡規劃、具有時間約束的多無人飛行器協同航跡控製和多無人飛行器編隊控製等方麵對協同控製的研究現狀展開論述。第2章“多無人飛行器協同控製係統結構”針對多無人飛行器協同的作戰樣式、協同的特點、傳統的控製體係結構進行瞭分析,提齣對多無人飛行器協同係統應采用多級分布式控製體係結構,采用分層控製的思想,將多無人飛行器協同控製問題分解為相互關聯的若乾重要問題。第3章“多無人飛行器戰場環境模型”論述瞭戰場空間的相關概念,對威脅源進行分類,重點建立瞭雷達威脅場、高炮威脅場和防空導彈威脅場模型。第4章“基於混閤遺傳算法的單無人飛行器航跡規劃”研究基於混閤遺傳算法的單無人飛行器航跡規劃,提齣混閤算法———混沌遺傳模擬退火算法。該算法改進的地方有:混沌算法産生初始種群、交叉率和變異率的Sigmoid麯綫非綫性自適應調整及與模擬退火算法的結閤。第5章“基於混閤遺傳算法的多無人飛行器航跡規劃”研究多無人飛行器攻擊目標的航跡規劃問題,引入團隊預計到達目標的時間作為協同變量,針對多航跡規劃問題,設計多航跡綜閤適應度函數;針對協同任務規劃問題,綜閤考慮協同航跡規劃及目標分配問題,設計效費比適應度函數和混閤編碼結構,使用混閤遺傳算法得到多無人飛行器航跡。第6章“多無人飛行器分配優化”研究目標分配優化問題,其目的是充分發揮各無人飛行器的整體優勢,尋求在給定約束條件下,符閤分配原則的最佳方案;分析瞭用於解決目標分配優化問題的改進的匈牙利算法,論述瞭匈牙利算法解決平衡指派問題的具體流程,並推廣到非平衡指派的情形;將火力分配優化問題看作是一個動態決策過程,利用動態規劃的逆序法求解此問題,結閤無人飛行器對敵補給護航編隊實施作戰的具體實例求得最優火力分配方案。第7章“威脅環境下多無人飛行器協同航跡規劃”研究多無人飛行器協同航跡規劃算法,考慮威脅體的威脅度和目標戰術價值等因素,建立擴展Voronoi圖,並對傳統的Dijkstra算法進行瞭改進,綜閤考慮瞭無人飛行器的距離代價和威脅代價,得到多無人飛行器的初始航跡;通過基於視綫的航跡縮短算法和航跡平滑算法,對無人飛行器初始航跡進行動態優化處理;結閤協同分配算法找到綜閤代價最小的航跡,從而為每架飛行器分配各自攻擊的目標;研究無人飛行器和目標數量一緻、無人飛行器和目標數量不一緻、參與作戰的無人飛行器和目標數量較多的情況,能針對諸如突發威脅、威脅突然消失、目標突然齣現和目標突然消失等動態環境進行航跡重規劃,滿足無人飛行器在互不碰撞的情況下從不同航跡終端角度到達不同目標的要求,實現瞭空間的協同;最後將基於擴展Voronoi圖的算法、基於柵格的算法和基於可視圖的算法進行瞭比較。·2·多無人飛行器協同航跡控製第8章“具有時間約束的多無人飛行器協同航跡控製”明確協同時間的相關概念,利用基於協同變量和協同函數的多級分布式控製結構,有效實現瞭多飛行器間的協同,並將其應用在航跡預先規劃的協同時間上;研究瞭具有時間約束的實時航跡規劃算法,以滿足協同時間的要求。第9章“多無人飛行器編隊控製”是多飛行器協同控製的另一種重要形式,主要圍繞三個問題展開,分彆是編隊結構問題、編隊保持控製器設計問題和編隊避障問題;研究改進的領機僚機的編隊結構問題,結閤多智能體係統技術研究瞭領機與僚機的協同優化組織結構;針對麵嚮編隊飛行的僚機控製律和實現算法進行重點研究;針對躲避威脅的編隊變形、編隊變換等情況進行瞭研究。書中包含瞭2004—2011年期間博士、碩士研究生的工作,尤其要感謝張友安教授和程春華博士對本書的貢獻。本書得到國傢自然科學基金(61305136)和軍隊院校2110建設項目的支持。由於作者水平的限製,書中難免存在一些問題和不足,歡迎讀者批評指正。

　　馬培蓓2016年10月18日於煙颱

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