具有持续侦察时间约束的协同航路规划

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1、2016年10月北京航空航天大学学报October2016第42卷第10期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．42No．10http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2015．0613具有持续侦察时间约束的协同航路规划朱黔，周锐+(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100083)摘要：为获得目标有效信息，无人机(UAVs)执行侦察任务时针对不同目标所需的持续侦察时间存在一定的差异。本文假设

2、无人机在目标持续侦察过程中保持定直平飞以确保有效侦察，针对至多3个侦察任务重叠的情况，通过几何分析，提出了存在侦察任务重叠情况下的多侦察任务同时侦察方法。在考虑侦察任务重叠和多机协同侦察的同时，以最小化侦察路径长度为性能指标，相邻侦察点间采用Dubins曲线进行航路规划，利用引入精英机制的混合粒子群优化算法实现侦察任务序列优化，实现具有持续侦察时间约束的协同航路规划。仿真结果表明提出算法的有效性。关键词：无人机；侦察任务重叠；协同航路规划；精英机制；混合粒子群优化算法中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1001．5965(2016)10-2130-09近年来无人

3、机被广泛运用于边界巡逻、目标跟踪及灾难救援等多个领域¨之1，而执行侦察任务也是无人机目前的一个主要应用领域”-。无人机执行任务时为有效监控并获得目标信息，应该使目标持续处于侦察传感器的监控范围内，并保持一段时间，即满足一定的持续侦察时间要求。文献[4]利用遗传算法(GA)实现无视线遮挡情况下的最短侦察路径规划；田菁和沈林成"1针对时敏目标，以最小化未被侦察目标数目和侦察代价为性能目标，采用Pareto最优实现侦察序列优化；文献[6]中以单位时间内侦察目标数量作为侦察效能评估指标。上述文章虽充分考虑侦察任务中的各种侦察性能要求，但是却没有考虑侦察任务中对于指定侦察任务存在持

4、续侦察时间的约束，也并未考虑侦察任务重叠的情况。虽然文献[7]中通过设定采样路标的方法来考虑侦察任务重叠的情况，但并未考虑同时完成多个侦察任务。无人机执行侦察任务可以归结为旅行商问题，旅行商问题是一个著名的NP难问题，只能采用启发式算法近似求解，遗传算法旧1、蚁群算法凹1及粒子群¨叫等算法都可求解旅行商问题。也有很多改进方法如将贪婪算法和遗传算法相结合，通过自适应调节遗传参数实现TSP问题求解¨1I；利用互信息对蚁群算法中的概率算子增加新的影响因子，实现旅行商问题求解¨2

5、。而多机协同侦察可以归结为多旅行商问题，Yu等¨引采用两层混合算法求解多旅行商问题，利用k—mean

6、s聚类和改进遗传算法将问题转化为单旅行商问题求解；而利用局部搜索‘141解决多基地多旅行商问题也获得了很好的效果。本文假设各个侦察点的侦察进入方向由相邻侦察点确定，当侦察进入方向确定后，需要在相邻两个侦察点之间进行航路规划。Dubins¨叫证明Dubins曲线是满足最大曲率约束和两点航向约束的最短可能路径，并且Dubins曲线在目标拦截收稿日期：20t5-09-18；录用151期：2015-09—30；网络出版时间：2015．11．1910：38网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20151119．1038．叭1．html基

7、金项目：国家自然科学基金(61273349，61175109){通讯作者：Tel．：010—82339232E—mail：zhr@buaa．edu．cn弓t用格式：朱黔，周锐．具有持续债察时间约束的协同航路规划【J]．北京航空航天大学学报，2016，42(10)：2130—2138．ZHUQ．ZHOUR．Cooperativepathplanningwithreconnaissancedurationtimeconstraints￡

8、]．JournalofBeOingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(to)：21

9、30-2138finChinese)．第10期朱黔，等：具有持续侦察时间约束的协同航路规划2131路径规划‘16]、最短时间集结Ⅲ1及障碍环境下的最短路径规划¨副等领域中都取得了很好的效果。本文针对存在至多3个重叠侦察任务的情况，通过几何分析，明确提出了多侦察点同时侦察方法；基于相邻2个侦察点的位置信息确定当前侦察点的侦察进入方向，并利用Dubins曲线完成相邻两个侦察点之间的航路规划。本文将精英机制引入到文献[19]提出的混合粒子群优化(Hy-birdParticleSwarmOptimization，HPSO)算法，形成具