CN109709980B - 一种基于异构无人机的蜂群对抗方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种基于异构无人机的蜂群对抗方法；该系统由若干相互独立、功能不同的无人机组成，每架无人机根据任务执行的特点搭载相关的模块。系统中的无人机部署采用基于异构无人机的分布式架构，信息无人机、协调无人机和攻击无人机利用通信网络进行信息共享和交互，从而实现蜂群对抗。

Description

一种基于异构无人机的蜂群对抗方法

技术领域

本发明属于无人机协同对抗领域。

背景技术

蜂群对抗系统主要采用异构智能体系统。指定一个智能体用于共享知识，其他智能体可以通过该智能体读取信息，也可以向其发送信息。指定一个智能体用于规划决策，对目标进行合理分配，当任务冲突时实现自主协调。指定若干智能体用于智能对抗。

异构智能体系统属于多智能体系统的一个分支。对于多智能体系统的研究，涉及数学、通信、计算机等相关学科。多智能体系统分为同构智能体系统和异构智能体系统。同构智能体系统由若干结构、功能均相同的智能体组成；异构智能体系统由若干具有不同内部构造、不同行为能力的智能体组成。异构智能体系统不仅能够简化单个智能体的功能，也能提高整个系统的性能。

目前协同作战主要由同构智能体系统完成，对于异构智能体的研究还比较少。尤其是在无人机领域，多智能体协作从同构到异构的发展，对现有的协作模型提出了新的挑战。针对这一挑战，本文提出了一种基于异构无人机的蜂群对抗系统，在特定的无人机上发布相关信息，利用协调无人机对目标任务进行分配和调度，攻击无人机根据相应的任务指令实现智能打击群目标的目的。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供解决多无人机蜂群对抗方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种基于异构无人机的蜂群对抗方法，异构无人机群包括攻击无人机、信息无人机和协调无人机；在会面阶段，攻击无人机组成战斗群，对来袭的敌机进行攻击，信息无人机和协调无人机寻机向高空飞行，为混战阶段的侦察探测做好准备；

在混战阶段，无人机的工作过程包括如下步骤：

步骤一，信息无人机对威胁环境进行监控并建模，探测出友机和敌机的位置和状态信息，根据敌机的分布情况，实时划分出以每个敌机为中心的不规则多边形区域，将相邻的敌机两两相连，画出它们连线的垂直平分线，将垂直平分线连接起来，构成若干个多边形区域，每个多边形区域内具有一个敌机，然后以广播的形式发布任务；信息无人机启动定时器，设置更新时间Δt₁，开始计时；

步骤二，协调无人机接收到信息无人机发布的任务后，分解系统任务，计算飞行代价，为每架攻击无人机分配目标，将任务发送给相应的攻击无人机；

步骤三，攻击无人机接收到协调无人机分配的任务后，根据协调无人机提供的目标信息，并在步骤一中实时划分出来的各多边形区域中对敌机目标进行定位，开始跟踪；同时启动定时器，设置攻击时间Δt₂，开始计时；

步骤四，若攻击无人机找准目标，则启动加速模块，距离目标一定范围时启动攻击模块，通过发射喷射物，对目标进行驱逐；

步骤五，若攻击无人机在时间Δt₂内未追击到目标，则向协调无人机发送请求任务协同的信号、需要协同的任务信息，以及自身可提供的信息；

步骤六，协调无人机接收到攻击无人机发来的信号和信息后，将待协同的任务列表和可共享信息放入待协调队列，利用任务协同算法求解出最优解，更新任务列表，发送给对应的攻击无人机；

步骤七，在时间Δt₁后，信息无人机若探测到环境中的敌机已被全部击退，则对抗结束；否则转向步骤一。

进一步的，所述信息无人机由全局探测模块、通信模块和控制模块组成；全局探测模块中嵌有能探测战场环境、敌机概况、友机状态的机载传感器；通信模块与协调无人机和攻击无人机通信，将搜集到的信息以广播的形式发送给全局工作区；所述控制模块包括供电装置、定时器、控制器；供电装置负责为无人机提供电力；定时器设置更新时间Δt₁，对战争区域重新定位和划分；控制器用来控制其他模块的功能实现。

进一步的，所述协调无人机由局部探测模块、通信模块、控制模块组成；协调无人机负责任务的规划与协调，利用通信技术实现其功能；所述局部探测模块探测邻近无人机的位置，防止误撞；通信模块主要用于和信息无人机、攻击无人机通信，获取实时态势信息和任务执行状态，提供任务列表；控制模块负责分解全局任务，规划任务列表。

进一步的，所述攻击无人机由局部探测模块、通信模块、攻击模块、加速模块和控制模块组成；局部探测模块搭载传感器，能锁定和跟踪由协调无人机分配的目标；通信模块负责与信息无人机和协调无人机实时通信，从信息无人机处读取相关信息，从协调无人机处获取任务指令、发送任务协同的信号；当攻击无人机锁定目标时，加速模块提供飞行动力，使其迅速进入目标的可攻击范围内，攻击模块利用喷射式装置以击退目标；控制模块负责对其他模块进行调节和控制，其中还包含定时器，从领取任务后开始定时，若在攻击时间Δt₂内未攻击成功目标，则向协调无人机发送请求协同的信号。

攻击无人机的攻击模块上具有喷射式装置，机内有压力装置，与机身的喷嘴连接，利用压力通过喷嘴将喷射物附着到目标上，从而达到削弱目标无人机的性能，让其不能正常执行任务，所述攻击无人机的喷射范围为一个以该攻击无人机为顶点、圆心角为α、半径为R的扇形区域；无人机在与目标呈R的直线距离时发起攻击。

进一步的，面对蜂拥而至的敌机群，攻击无人机保持战斗群队形，抵御敌军的侵略；信息无人机和协调无人机飞在队伍的后方，在保证自身安全的情况下伺机向上层空域飞行，为混战阶段侦察战争环境做好准备；

在会面阶段，攻击无人机利用局部探测模块对飞行方向的战争环境进行探测，探测范围即为该攻击无人机的喷射范围；若在此范围中探测到敌机，则立即启动喷射式装置，对目标进行攻击。若未探测到敌机，则按照原方向继续飞行；

当信息无人机和协调无人机飞行至上层空域，前线的友机和敌机已进入混战阶段，信息无人机利用其优势地理位置，对整个战场环境进行探测和建模，根据敌机的位置划分区域，并将战场信息发送给协调无人机；协调无人机利用任务分配原理和任务协调原理，为友机分配需要攻击的目标或者需要协同的任务，并将任务分配列表发送给攻击无人机。攻击无人机领取任务后，启动局部探测模块寻找并跟踪目标，在适当的距离内对目标进行攻击。

有益效果：本发明的由若干相互独立、功能不同的无人机组成，每架无人机根据任务执行的特点搭载相关的模块；系统中的无人机部署采用基于异构无人机的分布式架构，信息无人机、协调无人机和攻击无人机利用通信网络进行信息共享和交互，从而实现蜂群对抗。

附图说明

附图1为蜂群对抗示意图；

附图2为异构无人机的模块化设计示意图；

附图3为攻击无人机的喷射式装置的构造；

附图4为喷射式无人机的攻击范围；

附图5为会面阶段的布局示意图；

附图6为维诺图法构建地图示意图；

附图7为任务分配的原理图；

附图8为无人机的信息交互图；

附图9异构无人机的通信过程；

附图10混战阶段无人机的工作过程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1至10所示，本发明设计了一种基于异构无人机的蜂群对抗系统。该系统由信息无人机、协调无人机和攻击无人机三种无人机组成，对每个无人机进行模块化设计，根据其执行任务的特点搭载相应的模块。

本发明解决多无人机蜂群对抗的问题。信息无人机根据战争环境中的敌机位置，进行区域划分，搜集并在全局工作区发布友机和敌机的状态信息。协调无人机读取到相关信息后，根据任务分配原理，为攻击无人机合理分配相应的敌机。攻击无人机根据任务列表，启动目标搜寻和跟踪模式，在一定范围内对目标进行喷射，击退目标。若攻击无人机无法完成任务，则向协调无人机发送请求，由协调无人机根据任务协同原理重新规划目标，实现多机协同攻击目标。

本方案的系统模型及工作原理

1.异构无人机群的组成

异构无人机群由构造不同、功能不同且相互独立的无人机组成，采用固定翼无人机、多旋翼无人机等大型、小型、微型多种类型的无人机，根据其外形特点、有效载荷、续航能力等性能，分别承担信息无人机、协调无人机和攻击无人机的功能。使用异构无人机群，可以简化单架无人机的内部构造，使其能够行使特定功能；可以丰富机群功能，提高系统性能，从而精简系统，降低成本，提高无人机的使用效率。

蜂群对抗的空中战场根据功能特点划分为指挥部和前线。指挥部包含信息无人机和协调无人机，负责实时监控战场环境，分析威胁因素并为攻击无人机分配目标；前线包含若干攻击无人机，直接对抗敌机威胁。战场部署的原则是极大限度地保证信息无人机和协调无人机的安全，使其飞行在不受敌机威胁的区域；同时信息无人机和协调无人机应部署在战争环境的附近，树立全局视野，与攻击无人机保持良好通信。一般情况下，指挥部的无人机应飞行在战争威胁环境的上层空域，既保证其安全性，又能全方位地获取战争的实时信息，实现自主决策。如图1所示。

信息无人机。对战争环境进行实时监控，利用导航系统构建区域地图，搜集友机和敌机的位置、状态等信息，进行信息融合，通知协调无人机和攻击无人机读取信息，在一定周期内不断更新信息数据。信息无人机具有长航时、安全性高、稳定性好等特点，能够执行长时间侦察探测的功能，可以采用固定翼无人机。

协调无人机。对信息无人机发布的任务进行分解，通过计算飞行代价合理分配任务，向攻击无人机发送任务指令。在任务发生冲突时，根据任务协同原理，重新为无人机分配任务。协调无人机环境适应能力强，能够在空中悬停，有充足的时间对任务进行分配和协同，可以采用多旋翼无人机。

攻击无人机。接收到协调无人机的任务指令后，寻找并跟踪目标，在一定范围内锁定目标，并对目标进行喷射，可以极大程度地避免无人机的伤亡，达到威胁震慑的效果。攻击无人机体积较小、结构简单、反应灵活，适应于复杂多变的战争环境，可以采用四旋翼无人机、八旋翼无人机，或者小型固定翼无人机。

2.无人机的模块化设计

对无人机的硬件部分采用模块化设计，可以简化其内部结构，增强工作的可靠性。由于硬件设计与软件功能紧密相连，无人机根据任务特点执行不同的功能，其搭载的模块也不相同，如图2所示。

信息无人机由全局探测模块、通信模块和控制模块组成。全局探测模块中嵌有机载传感器，用于探测战场环境、敌机概况、友机状态等信息。通信模块负责与协调无人机和攻击无人机通信，将搜集到的信息以广播的形式发送给全局工作区。控制模块包括供电装置、定时器、控制器。供电装置负责为无人机提供电力；定时器设置更新时间Δt₁，对战争区域重新定位和划分；控制器用来控制其他模块的功能实现。

协调无人机由局部探测模块、通信模块、控制模块组成。协调无人机主要负责任务的规划与协调，利用通信技术实现其功能，不需要感知战场环境和攻击目标。局部探测模块主要探测邻近无人机的位置，防止误撞。通信模块主要用于和信息无人机、攻击无人机通信，获取实时态势信息和任务执行状态，提供任务列表。控制模块负责分解全局任务，规划任务列表。

攻击无人机由局部探测模块、通信模块、攻击模块、加速模块和控制模块组成。局部探测模块搭载传感器，只需锁定和跟踪由协调无人机分配的目标，不需要对全体敌机进行探测。通信模块负责与信息无人机和协调无人机实时通信，从信息无人机处读取相关信息，从协调无人机处获取任务指令、发送任务协同的信号。当攻击无人机锁定目标时，加速模块提供飞行动力，使其迅速进入目标的可攻击范围内，攻击模块利用喷射式装置以击退目标。控制模块负责对其他模块进行调节和控制，其中还包含定时器，从领取任务后开始定时，若在攻击时间Δt₂内未攻击成功目标，则向协调无人机发送请求协同的信号。

3.攻击无人机的喷射式装置

喷射式装置的攻击结构及方式。喷射式装置位于攻击无人机的攻击模块，机内有压力装置，与机身的喷嘴连接，喷射物可使用粘连度高的液体、腐蚀性强的气体等，被存储在特定的器皿中。在一定范围内可对目标进行喷射攻击，利用压力通过喷嘴将喷射物附着到目标上，对目标造成损伤，从而达到削弱目标无人机的性能，让其不能正常执行任务。喷射式装置的简单构造如图3所示。

本系统采用的喷射式无人机，喷射范围为一个以该无人机为顶点、圆心角为α、半径为R的扇形区域。无人机在与目标呈R的直线距离时发起攻击，不必飞行至目标位置，以免造成不必要的损伤。无人机的攻击范围如图4所示。

4.无人机的工作原理

蜂群对抗经历两个阶段，分别是会面阶段和混战阶段。会面阶段是指友机与敌机初次相遇，友机只需要对进入其攻击范围的敌机进行攻击，不需要指挥部的动态决策。混战阶段是指友机与敌机混合，依靠前线与指挥部的信息交流，通过实时监控战场环境，灵活改变任务分配策略。

4.1会面阶段

面对蜂拥而至的敌机群，攻击无人机保持战斗群队形，抵御敌军的侵略；信息无人机和协调无人机飞在队伍的后方，在保证自身安全的情况下伺机向上层空域飞行，为混战阶段侦察战争环境做好准备。会面阶段的战场布局如图5所示。

在会面阶段，攻击无人机利用局部探测模块对飞行方向的战争环境进行探测，探测范围即为该无人机的喷射范围。若在此范围中探测到敌机，则立即启动喷射式装置，对目标进行攻击。若未探测到敌机，则按照原方向继续飞行。

4.2混战阶段

当信息无人机和协调无人机飞行至上层空域，前线的友机和敌机已进入混战阶段，如图1所示。信息无人机利用其优势地理位置，对整个战场环境进行探测和建模，根据敌机的位置划分区域，并将战场信息发送给协调无人机。协调无人机利用任务分配原理和任务协调原理，为友机分配需要攻击的目标或者需要协同的任务，并将任务分配列表发送给攻击无人机。攻击无人机领取任务后，启动局部探测模块寻找并跟踪目标，在适当的距离内对目标进行攻击。

(1)构建地图和划分区域

假设无人机在飞行过程中高度和速度基本保持不变，可以将立体空间简化为二维平面，对无人机飞行代价的计算也是在二维平面中进行。本系统对敌机所处的战争环境进行模拟和构建，将连续的威胁环境离散化。采用合适的方法对区域进行合理划分，使每个敌机能均匀分布在各个区域。

考虑到无人机的传感器灵敏度、飞行速度和战场环境威胁分布等因素，要有针对性的选择战场空间划分方法，常见的有栅格法和维诺图法。用维诺图构造法对环境建模，可以根据敌机的分布情况，划分出以每个敌机为中心的不规则多边形区域。具体操作是：将相邻的敌机两两相连，画出它们连线的垂直平分线，将垂直平分线连接起来，构成若干个多边形区域。用维诺图法构建地图的过程如图6所示。

6.无人机的工作过程

在会面阶段，攻击无人机组成战斗群，对来袭的敌机进行攻击，信息无人机和协调无人机寻机向高空飞行，为混战阶段的侦察探测做好准备。

在混战阶段，异构无人机的工作过程如图10所示，以下是具体说明。

(1)信息无人机对威胁环境进行监控并建模，探测出友机和敌机的位置和状态信息，根据敌机的分布情况，划分出以每个敌机为中心的不规则多边形区域，将相邻的敌机两两相连，画出它们连线的垂直平分线，将垂直平分线连接起来，构成若干个多边形区域，用维诺图法构建地图，每个多边形区域内具有一个敌机，以广播的形式发布任务。信息无人机启动定时器，设置更新时间，开始计时。

(2)协调无人机接收到信息无人机发布的任务后，分解系统任务，计算飞行代价，为每架攻击无人机分配目标，将任务发送给相应的攻击无人机。

(3)攻击无人机接收到协调无人机分配的任务后，根据协调无人机提供的目标信息，并在步骤一中实时划分出来的各多边形区域中对敌机目标进行定位，开始跟踪；同时启动定时器，设置攻击时间，开始计时。

(4)若攻击无人机找准目标，则启动加速模块，距离目标一定范围时启动攻击模块，通过发射喷射物，对目标进行驱逐。

(5)若攻击无人机在时间内未追击到目标，则向协调无人机发送请求任务协同的信号、需要协同的任务信息，以及自身可提供的信息。

(6)协调无人机接收到攻击无人机发来的信号和信息后，将待协同的任务列表和可共享信息放入待协调队列，利用任务协同算法求解出最优解，更新任务列表，发送给对应的攻击无人机。

(7)在时间后，信息无人机若探测到环境中的敌机已被全部击退，则对抗结束；否则转向(1)。

由于所设计的一种基于异构无人机的蜂群对抗系统具有平台无关性，我们可以选用任何一种平台作为这一系统的实现方式。在实际的操作过程中，异构无人机的编队控制、无人机各个模块的配件选择、算法编写以及代码移植是理论转化为实际的关键步骤，这样才能在真实的战场环境上实现蜂群对抗。敌我双方均使用100架匀速飞行的无人机进行模拟，我方选择适当数量的无人机分别作为信息无人机和协调无人机，剩余若干架无人机作为攻击无人机参与战斗。将对抗后友机和敌机的幸存数量作为本系统的评价指标。

1.编队控制

异构无人机系统实现分布式编队，能够使每个无人机的功能简化，成本降低。具体方法是可以利用邻居智能体的相对位置向量构造控制器，通过线性变换化为一致性问题。无人机在不违背编队控制的原则下，可以选择不同的队形，例如可以使用多边形编队，根据机群数量调整其边数。

2.硬件设计

根据无人机实现的功能不同，选择不同的模块配件。信息无人机的全局探测模块主要对全局威胁环境进行监控，应选择合适的导航系统。攻击无人机的局部探测模块只需对其目标进行监控，选择光电传感器等简单传感器。攻击无人机的攻击模块可以选择自主式喷射装置。攻击无人机的加速模块可以选择驱动电机等装置。

通信模块可以采用Ad Hoc网络进行通信。控制模块选择嵌入式控制器、供电设备、定时器等。

3.算法程序设计

设计相应的算法实现蜂群对抗。需要对信息无人机的更新时间、攻击无人机的攻击范围和攻击时间进行定义。根据实际需要设计出任务分配、任务协同的算法。本系统拟采用理论分析、仿真实验和现场试验相结合的方法进行验证。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于异构无人机的蜂群对抗方法，其特征在于：异构无人机群包括攻击无人机、信息无人机和协调无人机；在会面阶段，攻击无人机组成战斗群，对来袭的敌机进行攻击，信息无人机和协调无人机寻机向高空飞行，为混战阶段的侦察探测做好准备；

在混战阶段，无人机的工作过程包括如下步骤：

步骤一，信息无人机对威胁环境进行监控并建模，探测出友机和敌机的位置和状态信息，根据敌机的分布情况，实时划分出以每个敌机为中心的不规则多边形区域，将相邻的敌机两两相连，画出它们连线的垂直平分线，将垂直平分线连接起来，构成若干个多边形区域，每个多边形区域内具有一个敌机，然后以广播的形式发布任务；信息无人机启动定时器，设置更新时间Δt₁，开始计时；

步骤二，协调无人机接收到信息无人机发布的任务后，分解系统任务，计算飞行代价，为每架攻击无人机分配目标，将任务发送给相应的攻击无人机；

步骤三，攻击无人机接收到协调无人机分配的任务后，根据协调无人机提供的目标信息，并在步骤一中实时划分出来的各多边形区域中对敌机目标进行定位，开始跟踪；同时启动定时器，设置攻击时间Δt₂，开始计时；

步骤四，若攻击无人机找准目标，则启动加速模块，距离目标一定范围时启动攻击模块，通过发射喷射物，对目标进行驱逐；

步骤五，若攻击无人机在时间Δt₂内未追击到目标，则向协调无人机发送请求任务协同的信号、需要协同的任务信息，以及自身可提供的信息；

步骤六，协调无人机接收到攻击无人机发来的信号和信息后，将待协同的任务列表和可共享信息放入待协调队列，利用任务协同算法求解出最优解，更新任务列表，发送给对应的攻击无人机；

步骤七，在时间Δt₁后，信息无人机若探测到环境中的敌机已被全部击退，则对抗结束；否则转向步骤一。

2.根据权利要求1所述的一种基于异构无人机的蜂群对抗方法，其特征在于：所述信息无人机由全局探测模块、通信模块和控制模块组成；全局探测模块中嵌有能探测战场环境、敌机概况、友机状态的机载传感器；通信模块与协调无人机和攻击无人机通信，将搜集到的信息以广播的形式发送给全局工作区；所述控制模块包括供电装置、定时器、控制器；供电装置负责为无人机提供电力；定时器设置更新时间Δt₁，对战争区域重新定位和划分；控制器用来控制其他模块的功能实现。

3.根据权利要求1所述的一种基于异构无人机的蜂群对抗方法，其特征在于：所述协调无人机由局部探测模块、通信模块、控制模块组成；协调无人机负责任务的规划与协调，利用通信技术实现其功能；所述局部探测模块探测邻近无人机的位置，防止误撞；通信模块主要用于和信息无人机、攻击无人机通信，获取实时态势信息和任务执行状态，提供任务列表；控制模块负责分解全局任务，规划任务列表。

4.根据权利要求1所述的一种基于异构无人机的蜂群对抗方法，其特征在于：所述攻击无人机由局部探测模块、通信模块、攻击模块、加速模块和控制模块组成；局部探测模块搭载传感器，能锁定和跟踪由协调无人机分配的目标；通信模块负责与信息无人机和协调无人机实时通信，从信息无人机处读取相关信息，从协调无人机处获取任务指令、发送任务协同的信号；当攻击无人机锁定目标时，加速模块提供飞行动力，使其迅速进入目标的可攻击范围内，攻击模块利用喷射式装置以击退目标；控制模块负责对其他模块进行调节和控制，其中还包含定时器，从领取任务后开始定时，若在攻击时间Δt₂内未攻击成功目标，则向协调无人机发送请求协同的信号；

攻击无人机的攻击模块上具有喷射式装置，机内有压力装置，与机身的喷嘴连接，利用压力通过喷嘴将喷射物附着到目标上，从而达到削弱目标无人机的性能，让其不能正常执行任务，所述攻击无人机的喷射范围为一个以该攻击无人机为顶点、圆心角为α、半径为R的扇形区域；无人机在与目标呈R的直线距离时发起攻击。

5.根据权利要求1所述的一种基于异构无人机的蜂群对抗方法，其特征在于：

面对蜂拥而至的敌机群，攻击无人机保持战斗群队形，抵御敌军的侵略；信息无人机和协调无人机飞在队伍的后方，在保证自身安全的情况下伺机向上层空域飞行，为混战阶段侦察战争环境做好准备；

在会面阶段，攻击无人机利用局部探测模块对飞行方向的战争环境进行探测，探测范围即为该攻击无人机的喷射范围；若在此范围中探测到敌机，则立即启动喷射式装置，对目标进行攻击；若未探测到敌机，则按照原方向继续飞行；

当信息无人机和协调无人机飞行至上层空域，前线的友机和敌机已进入混战阶段，信息无人机利用其优势地理位置，对整个战场环境进行探测和建模，根据敌机的位置划分区域，并将战场信息发送给协调无人机；协调无人机利用任务分配原理和任务协调原理，为友机分配需要攻击的目标或者需要协同的任务，并将任务分配列表发送给攻击无人机，攻击无人机领取任务后，启动局部探测模块寻找并跟踪目标，在适当的距离内对目标进行攻击。

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