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专利号: 2022108180609
申请人: 安徽大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种用于污染源搜索的感知探测无人机集群协同控制方法,其特征在于,包括以下步骤:

11)感知探测无人机集群的初始化:对感知探测无人机集群进行初始化设置;

12)感知探测无人机集群协同广域搜索:感知探测无人机个体基于Levy飞行进行广域协同搜索,并更新自身位置;若找到污染源,则污染源搜索结束;若未找到污染源,则进行感知探测无人机动态群体规模调整;

13)感知探测无人机动态群体规模调整:基于每个无人机集群的群体最优,调整每个无人机集群的群体规模;

14)感知探测无人机集群探测位置生成:基于调整后的每个无人机集群的群体规模和中性进化策略选择可调度的感知探测无人机,并将其基于高斯分布和Epanechnikov分布在父无人机周围生成新的感知探测无人机位置;

15)感知探测无人机调度位置的更新:感知探测无人机调度至新位置后,继续进行感知探测无人机集群协同广域搜索步骤,直至找到污染源。

2.根据权利要求1所述的一种用于污染源搜索的感知探测无人机集群协同控制方法,其特征在于,所述感知探测无人机集群的初始化包括以下步骤:

21)设置感知探测无人机数量、无人机集群数量、感知探测无人机间距阈值、父无人机数量、父无人机间距阈值、无人机集群规模上限、时间节点、选择植物种群分布演化模型并设置模型的参数;

无人机集群规模上限maxpopsize确定公式如下:

其中,popsize为感知探测无人机数量,M为无人机集群数量,设置c是区间为[0.6,0.7]的常数,Z为无人机集群规模的上限调整的偏置量,默认为0;

设置每当感知探测无人机集群协同广域搜索结束后为一个时间节点;

22)根据无人机集群之间的相对位置,在目标工作区域建立初始平面坐标系:首先随机确定一个感知探测无人机个体作为参考无人机,其位置被设定为坐标系的原点,然后选择一个方向的UAV建立x轴,逆时针旋转90°建立y轴,其它感知探测无人机的位置根据它们对参考无人机相对距离和角度计算确定;

23)根据气体扩散的高斯烟羽模型指定一个适应度值函数f(x),x表示区域坐标位置,此函数根据空气污染的严重性进行评价,若空气污染越严重,则该地区的适应度值越大;

24)释放感知探测无人机个体位于同一平面,该平面为无人机层,到达指定区域后,对感知探测无人机进行分组,分组数量为无人机集群数量,初始时每个无人机集群分配相同数量的感知探测无人机;

根据感知探测无人机数量,将任务区域进行均等划分,每个感知探测无人机占据一个均等的划分区域,感知探测无人机以一定间隔停靠在地图边缘,任务区域以一定间隔被平均分为popsize*N个网格区域,popsize为感知探测无人机数量,N为每个感知探测无人机横向遍历的轨迹点个数;

25)每个网格内随机生成一个轨迹点,感知探测无人机个体在其划分的区域内进行横向搜索;

26)当感知探测无人机横向搜索结束后,感知探测无人机各自评价出每个划分区域的最优适应度值位置,之后将感知探测无人机分别调度至对应的区域位置,此时整个群体无人机系统的初始化完成,感知探测无人机初始位置确定公式如下:IN(i)=IN(Pij)best,i=1,...,popsize,j=1,...,N,其中,IN(i)表示i号感知探测无人机的初始位置,Pij表示i号感知探测无人机遍历路径的第j个遍历点,IN(Pij)best表示i号感知探测无人机遍历的N个轨迹点中适应度值最优的位置。

3.根据权利要求1所述的一种用于污染源搜索的感知探测无人机集群协同控制方法,其特征在于,所述感知探测无人机集群协同广域搜索包括以下步骤:

31)无人机集群在任务区域进行协同广域探测,每个感知探测无人机基于Levy飞行公式进行位置更新,感知探测无人机位置更新公式如下:x(t+1)=(x(t)+α*ω*Levy(β))

其中,t为时间节点,x(t+1)为时间节点t+1时感知探测无人机的位置,x(t)为时间节点t时感知探测无人机的位置,α是步长的自适应缩放因子,ω是与任务区域的大小有关的常t数,Levy(β)是莱维随机路径,β为指数常数,1≤β≤3,gbest 为时间节点t时所有感知探测无人机探测到的全局适应度值最优的位置, 为H号无人机群在时间节点t时探测到的适应度值最优位置,M为无人机集群数量,μ和v来自正态分布:式中的σμ、σv为正态分布的尺度参数定义为:

σv=1

其中τ是标准的Gamma函数;

32)在每个感知探测无人机的周围预先定义一个半径为d的安全区域,当其他感知探测无人机进入该区域时,感知探测无人机与靠近它的感知探测无人机之间产生虚拟斥力,并迫使靠近的感知探测无人机远离该感知探测无人机;

在安全区域内,采用人工势场法来建立感知探测无人机之间的斥力关系,感知探测无人机所受到的合力等于受到所有斥力的和,避碰的优先级以运动之前感知探测无人机个体位置的适应度值为标准进行设置,适应度值差的感知探测无人机避让适应度值优的感知探测无人机,其中,斥力函数如下:Urepii′为i′号感知探测无人机对i号感知探测无人机产生的斥力,其中θ是斥力尺度因子,dii′为i号感知探测无人机与i′号感知探测无人机之间的距离,d为斥力最大影响距离;

受到斥力影响后感知探测无人机的位置更新公式如下:

x′=x+Urepi

x是未受到斥力影响前感知探测无人机的位置,x′为受到斥力影响后感知探测无人机的位置,Urepi为i号感知探测无人机所受到的斥力合力;

33)无人机集群探测结束后对感知探测无人机新位置进行评价,并选出每个无人机集群的父无人机个体;

对单个无人机集群内感知探测无人机的新位置根据适应度值从优到劣进行排序,并判断是否为污染源,若找到污染源则搜索结束;

若没有找到污染源,则每个无人机集群的最优位置感知探测无人机被设置为一号父无人机,按照排序顺序判断下一个感知探测无人机与一号父无人机之间的距离是否大于距离阈值,若大于则该感知探测无人机为二号父无人机,否则继续判断下一个感知探测无人机是否满足条件;若所有感知探测无人机都不满足条件,则采用随机取点的方式在一号父无人机的距离阈值外进行取点,并将剩余适应度值最差的感知探测无人机调度至该位置;选取三号父无人机则判断与一号父无人机和二号父无人机之间的距离是否都满足所设置的距离阈值条件,根据所设置的父无人机数量FN,以此类推选取FN个父无人机。

4.根据权利要求1所述的一种用于污染源搜索的感知探测无人机集群协同控制方法,其特征在于,所述感知探测无人机动态群体规模调整包括以下步骤:

41)按照各个无人机集群最优位置感知探测无人机的适应度值,计算各个无人机集群的群体规模,计算方式描述如下:其中,popsizeH为H号无人机集群的群体规模,popsize为感知探测无人机个体总数量,C1、C2和C3为权重因子,F1、F2、F3分别代表最优适应度值增长率影响函数,最优适应度值影响函数,无人机集群拥挤度影响函数,F表示M个无人机集群的影响函数合;

其中,F1(H,t)表示第H号无人机集群时间节点t时的最优适应度值增长率影响函数值,F2(H,t)表示第H号无人机集群时间节点t时的最优适应度值影响函数值,F3(H,j)表示第H号无人机集群时间节点t时的无人机集群拥挤度影响函数值,F1(g,t)表示g号无人机集群时间节点t时的最优适应度值增长率影响函数值,F2(g,t)表示g号无人机集群时间节点t时的最优适应度值影响函数值,F3(g,j)表示g号无人机群时间节点t时的无人机集群拥挤度影响函数值, 为H号无人机集群在时间节点t‑1时探测到的适应度值最优位置,FdHi表示H号无人机集群中的第i号感知探测无人机离一号父无人机的距离;

经过划分后无人机集群被划分为无人机集群规模减少的无人机集群和无人机集群规模增大的无人机集群;

42)无人机群规模减少的无人机集群内感知探测无人机个体进行适应度值排序,排序末位的MDH个感知探测无人机位置存储至临时分配无人机集群,其中MDH等于H号无人机集群规模减少的感知探测无人机个体数量;

43)无人机集群规模增加的无人机集群从临时分配无人机集群中随机选取MAH个感知探测无人机加入至自己的无人机集群,其中MAH等于H号无人机集群规模增加的感知探测无人机个体数量。

5.根据权利要求1所述的一种用于污染源搜索的感知探测无人机集群协同控制方法,其特征在于,所述感知探测无人机集群探测位置生成包括以下步骤:

51)评价出每个无人机集群适应度值较优的前Z个位置点,将父无人机分别移动至较优适应度值位置,所处适应度值最优位置的父无人机为一号父无人机,依次为所有父无人机进行编号排序;

52)设定H号无人机集群NH个感知探测无人机的分配规则如下,根据H号无人机集群中FN个父无人机的适应度值,分别为父无人机其分配对应数量的感知探测无人机;

其中:NCBHK为H号无人机集群K号父无人机调配的感知探测无人机个体数量,γ为可调配的感知探测无人机占比,默认为0.3,PHK为分配给H号无人机集群K号父无人机的调配比例,FBHK为H号无人机集群K号父无人机当前位置,f(FBHK)为H号无人机集群K号父无人机当前位置的适应度值,间接反映H号无人机集群K号父无人机所在位置的优劣程度,FN为每个无人机集群的父无人机数量;

53)H号无人机集群K号父无人机调配的感知探测无人机的位置X由当前的父无人机按照预先设置的分布确定,每个无人机集群的一号父无人机以Epanechnikov模型生成感知探测无人机位置,其他父无人机以高斯分布模型生成感知探测无人机位置,Epanechnikov模型具体描述如下:高斯模型具体描述如下:

其中:δHK为H号无人机集群K号父无人机调配的感知探测无人机个体的位置分布的离散程度,μHK为H号无人机集群K号父无人机调配的感知探测无人机个体的集中趋势位置,计算公式如下:μHK=FBHK

其中dr为感知探测无人机之间的最小安全运动距离,dmax为作业区域的边界距离,αδHK为H号无人机集群K号父无人机调配的感知探测无人机个体的位置分布离散程度的偏置量,默认为0;

54)感知探测无人机按一定次序进行位置调度,当所有感知探测无人机调度至其所分配的位置后,调度过程结束,生成新的感知探测无人机位置。