基于分布式模型预测控制的多UAV协同区域搜索

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1、第31卷第3期2010年3月航空学报ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICAV01．31No．3Mar．2010文章编号：i000—6893(2010)03—0593—09基于分布式模型预测控制的多UAV协同区域搜索彭辉1’2，沈林成1，朱华勇1(1．国防科学技术大学机电工程与自动化学院，湖南长沙410073)(2．解放军理工大学指挥自动化学院，江苏南京210007)MultipleUAVCooperativeAreaSearchBasedonDistributedModelPredictiveControlPengHuil”，ShenL

2、inchen91，ZhuHuayon91(1．SchoolofMechatronicsEngineeringandAutomation，NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China)(2．InstituteofCommandAutomation，PI。AUniversityofScienceandTechnology，Nanjing210007，China)摘要：针对多无人机(uAV)协同区域搜索问题展开研究。提出了一种基于分布式模型预测控制(DMPC)的多UAV分布式优化搜索方法。首先基于传统的

3、搜索图模型，建立了多UAV协同搜索的问题描述和状态空间模型，然后在DMPC框架下，将集中式多UAV在线优化决策问题转化为各架UAV的小规模分布式优化问题，采用基于纳什最优和粒子群优化(PSO)相结合的算法实现对每个子系统优化问题的迭代求解。仿真结果表明：DMPC方法能够有效地降低多UAV协同搜索决策问题的求解规模，是一种可行的方法。关键词：无人机；协同区域搜索；分布式模型预测控制；粒子群优化；纳什最优中图分类号：V279+．3；TP391．9文献标识码：AAbstract：Todealwiththeproblemofcooperativeareasearchformu

4、ltipleunmannedaerialvehicles(UAVs)，adecentralizedoptimizationsearchmethodbasedondistributedmodelpredictivecontrol(DMPC)ispresentedinthisarticle．First，basedonthetraditionalsearchmapmodel，aformalrepresentationandsystemstatespacemodelofthemultipleUAVcooperativesearchisestablished．Then，acen

5、tralizedon-lineoptimizationdecisionofthewholemultipleUAVsystemisdecomposedintothedecentralizedoptimizationofseveralsingleUAVsubsystemsundertheframeworkofDMPC，andaNashoptimalityandparticleswarmoptimization(PSO)basedalgorithmisimplementedtOthesolutionofthedecentralizedoptimization．Simulat

6、ionresultsdemon-stratethattheDMPC-basedmethodcansignificantlyreducethesizeofmultipleUAVoptimizationdecisionproblems，andthatitisafeasibleapproachforcooperativesearch．Keywords：unmannedaerialvehicles；cooperativeareasearch；distributedmodelpredictivecontrol；particleswarmoptimization；Nashopti

7、mality控制多架无人机(UnmannedAerialVehi—cle，UAV)协同执行复杂任务是目前多平台协同控制领域的研究热点[1。2]。协同搜索就是其中的一个典型任务。搜索是情报侦察的基本手段，相对于单架无人机，采用多架UAV协同搜索能够更全面彻底地实现对任务区域的侦察，更好地发现目标和获取情报信息。为了实现此类协同任务，必须设计有效的多UAV协同控制和规划方法，提高UAV平台的自主控制和决策能力。针对多UAV协同区域搜索问题，目前国内外开展了较为广泛的研究。传统方法以搜索收稿日期：2009—02-18：修订日期：200904—30基金项目：