CN112985412A - 一种多无人飞行器协同定位的队形优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的多无人飞行器协同定位的队形优化方法,初始化多无人飞行器的初始位置、目标方位角以及目标位置,根据无人飞行器与目标位置的关系构建方位角方程;对方位角方程求导得到多无人飞行器的位置误差和目标位置的目标定位误差;利用GDOP衡量目标定位误差的定位精度得到多飞行器协同定位队形优化模型;根据多无人飞行器的最小安全距离和最大通信距离制定多飞行器协同定位队形优化模型的约束条件;基于约束条件,利用粒子群算法对优化模型进行求解得到多无人飞行器的最优协同定位队形。通过建立多飞行器的协同定位队形优化模型,能够求解多飞行器协同定位队形的最优结果,收敛速度快,结果确定性高,灵活性好。
Description
技术领域
本公开属于多飞行器协同定技术领域,特别是涉及到一种多无人飞行器协同定位的队形优化方法。
背景技术
在面对复杂环境下的集群作战任务时,飞行器需要进行协同来将复杂任务进行分解和分配并协调利用资源,队形优化是飞行器协同的一种重要手段。队形优化的重点在于根据任务场景和需求,合理设计飞行器空域分布构型以达到最优效能。
发明内容
有鉴于此,本公开提出了一种多无人飞行器协同定位的队形优化方法,通过建立多飞行器的协同定位队形优化模型,能够求解多飞行器协同定位队形的最优结果,收敛速度快,结果确定性高,灵活性好。
根据本公开的一方面,提出了一种多无人飞行器协同定位的队形优化方法,所述方法包括:
对所述方位角方程求导为dαi=cixdxT+ciydyT-cixdxi-ciydyi,得到所述多无人飞行器的位置误差(dxi,dyi)和所述目标位置的目标定位误差(dxT,dyT),cix,ciy,cix,ciy为因子系数;
利用GDOP衡量所述多无人飞行器的位置误差(dxi,dyi)和所述目标位置的目标定位误差(dxT,dyT)的定位精度,得到多飞行器协同定位队形优化模型Min f=Ghp,其中Ghp为所述多飞行器协同交叉定位在水平面内的几何精度因子;
根据所述多无人飞行器的最小安全距离dsafe和最大通信距离dcom,制定所述多飞行器协同定位队形优化模型的约束条件;
基于所述约束条件,利用粒子群算法对所述优化模型进行求解得到所述多无人飞行器的最优协同定位队形。
在一种可能的实现方式中,在对所述方位角方程求导之前,所述方法还包括:联立所述多无人飞行器的方位角方程,得到所述目标位置与所述方位角之间关系的矩阵方程APT=b;
在一种可能的实现方式中,利用GDOP衡量所述多无人飞行器的位置误差(dxi,dyi)和所述目标位置的目标定位误差(dxT,dyT)的定位精度,包括:
当不考虑所述无人多飞行器的位置误差的方差时,利用GDOP衡量所述目标位置的目标定位误差的方差的定位精度。
在一种可能的实现方式中,基于所述约束条件,利用粒子群算法对所述优化模型进行求解得到所述多无人飞行器的最优协同定位队形,包括:
P2:通过计算优化模型的目标函数得到所述粒子的适应度值,根据所述适应度值对粒子的个体极值和粒子群的群体极值进行更新;
P3:根据所述粒子的个体极值和粒子群的群体极值对所述粒子的速度进行更新,根据速度与位置的关系,对所述粒子的位置进行更新;
P4:如果满足所述粒子群算法的结束条件,退出循环;否则,返回步骤P2。
本发明提供了一种多无人飞行器协同定位的队形优化方法,初始化多无人飞行器的初始位置目标方位角αi以及目标位置PT=(xT,yT,zT),根据所述无人飞行器与所述目标位置的关系构建方位角方程其中,i=1,2,…,n;对所述方位角方程求导为dαi=cixdxT+ciydyT-cixdxi-ciydyi,得到所述多无人飞行器的位置误差(dxi,dyi)和所述目标位置的目标定位误差(dxT,dyT),cix,ciy,cix,ciy为因子系数;利用GDOP衡量所述目标位置的目标定位误差(dxT,dyT)的定位精度,得到多飞行器协同定位队形优化模型Minf=Ghp,其中Ghp为所述多飞行器协同交叉定位在水平面内的几何精度因子;根据所述多无人飞行器的最小安全距离dsafe和最大通信距离dcom,制定所述多飞行器协同定位队形优化模型的约束条件;基于所述约束条件,利用粒子群算法对所述优化模型进行求解得到所述多无人飞行器的最优协同定位队形。通过建立多飞行器的协同定位队形优化模型,能够求解多飞行器协同定位队形的最优结果,收敛速度快,结果确定性高,灵活性好。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明,本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面,并且用于解释本公开的原理。
图1示出了根据本公开一实施例的一种多无人飞行器协同定位的队形优化方法流程图;
图2示出了根据本公开一实施例的多飞行器和目标位置之间的空间关系图;
图3示出了根据本公开一实施例的粒子群算法的流程图;
图4示出了根据本公开一实施例的粒子速度和位置更新的示意图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面,但是除非特别指出,不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外,为了更好的说明本公开,在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解,没有某些具体细节,本公开同样可以实施。在一些实例中,对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述,以便于凸显本公开的主旨。
图1示出了根据本公开一实施例的一种多无人飞行器协同定位的队形优化方法流程图。该方法可以包括:
步骤S1:初始化多无人飞行器的初始位置Ui=(xi,yi,zi)T、目标方位角αi以及目标位置PT=(xT,yT,zT),根据所述无人飞行器与所述目标位置的关系构建方位角方程其中,i=1,2,…,n。
其中,目标方位角和目标位置是在全局坐标系下测得的,另外还测有目标位置的俯仰角βi。
图2示出了根据本公开一实施例的多飞行器和目标位置之间的空间关系图。
如图2所示的多飞行器和目标位置之间的空间关系,建立飞行器的观测方程:
在一示例中,在进行步骤S2之前,该方法还包括:联立所述多无人飞行器的方位角方程,得到所述目标位置与所述方位角之间关系的矩阵方程APT=b;
只有当飞行器之间的夹角Δαil为0或π时,|M|的值等于0,满秩矩阵M不可逆,此时,无人飞行器呈“一字形”队形且目标位于无人飞行器的延长线上,该最小二乘法闭式解不存在,不存在目标位置,因此,只有当M为满秩矩阵或正定矩阵时才存在解,存在目标位置。
步骤S2:对所述方位角方程求导为dαi=cixdxT+ciydyT-cixdxi-ciydyi,得到所述多无人飞行器的位置误差(dxi,dyi)和所述目标位置的目标定位误差(dxT,dyT),cix,ciy,cix,ciy为因子系数。
将无人飞行器对目标位置的方位角方程变形为:然后,两边进行微分得到误差方程dαi=cixdxT+ciydyT-cixdxi-ciydyi,其中,dαi表示目标方位角测量误差,(dxi,dyi)表示每个无人飞行器的位置误差,(dxT,dyT)表示目标位置的目标定位误差,cix,ciy,cix,ciy等因子系数分别表示为:
将n个误差方程组用矩阵表示为:dα=cdPT+dU,用最小二乘法求解该方程组可得dPT=(CTC)-1CT(dα-dU),进而为dPT=B(dα-dU),假设该中所有误差都满足零均值分布,且各飞行器的位置误差和测得的目标方位角误差之间都不存在相关性,则得到水平面内的目标位置的定位误差协方差矩阵为:
PPT=E[dPTdPT T]=BE[dαdαT]BT+BE[dUdUT]BT,
为测量目标方位角误差的方差,和分别为各无人飞行器位置误差的方差。当只考虑各无人飞行器对目标位置的方位角误差,不考虑各无人飞行器的位置误差所引起的定位误差,则,目标位置的最终的水平定位误差协方差矩阵为:
步骤S3:利用GDOP衡量所述目标位置的目标定位误差(dxT,dyT)的定位精度,得到多飞行器协同定位队形优化模型Min f=Ghp,其中Ghp为所述多飞行器协同交叉定位在水平面内的几何精度因子。
GDOP(Geometric Dilution of Precision,几何精度因子)是衡量定位精度的一个系数。
多无人飞行器协同交叉定位在水平面内的GDOP为:
为了得到最优的定位精度,需要多无人飞行器在无缘交叉协同定位中取得最小的GDOP值,得到多飞行器协同定位队形优化模型Min f=Ghp。
步骤S4:根据所述多无人飞行器的最小安全距离dsafe和最大通信距离dcom,制定所述多飞行器协同定位队形优化模型的约束条件。
在集中控制策略下,根据多无人飞行器的最小安全距离dsafe和最大通信距离dcom确定的多飞行器协同定位队形优化模型的约束条件主要为:
其中,不等式(1)和(2)表示的是主无人飞行器和从无人飞行器之间的距离约束,不等式(3)和(4)表示的是从无人飞行器之间的距离约束。
步骤S5:基于所述约束条件,利用粒子群算法对所述优化模型进行求解得到所述多无人飞行器的最优协同定位队形。
在一示例中,步骤S4中确定的无人多飞行器协同定位队形优化模型是一个单目标非线性约束优化问题,可以采用粒子群算法进行求解。
图3示出了根据本公开一实施例的粒子群算法的流程图;图4示出了根据本公开一实施例的粒子速度和位置更新的示意图。
如图3所示,该算法可以包括:
P2:通过计算优化模型的目标函数得到所述粒子的适应度值,根据所述适应度值对粒子的个体极值和粒子群的群体极值进行更新。
通过计算优化模型的目标函数f(x)计算粒子的适应度值,用以反映粒子的优劣程度。利用适应度值对粒子的个体极值和种群的群体极值进行更新。
P3:根据所述粒子的个体极值和粒子群的群体极值对所述粒子的速度进行更新,根据速度与位置的关系,对所述粒子的位置进行更新。
如图4所示,由于粒子速度值的大小是通过个体极值和群体极值来进行调整的,所以从t时刻到t+1时刻,对第i个粒子的速度和位置进行更新,具体为:
其中,ω为惯性系数,表示粒子的初始速度对速度变化程度的影响,惯性系数开始时取值较大,随着迭代深入逐渐减小至0,c1和c2分别是粒子的自我认知系数和社会认知系数,r1和r2是区间(0,1)之间的随机数。在进行粒子速度和位置更新操作时,需要考虑每一个维度上的约束限制,不能超过最大速度限制和解空间范围其中d∈1,2,...,D,具体如下:
P4:如果满足所述粒子群算法的结束条件,退出循环;否则,返回步骤P2。其中,结束条件可以为达到的预置迭代次数或预设阈值。
本发明提供了一种多无人飞行器协同定位的队形优化方法,初始化多无人飞行器的初始位置Ui=(xi,yi,zi)T、目标方位角αi以及目标位置PT=(xT,yT,zT),根据所述无人飞行器与所述目标位置的关系构建方位角方程其中,i=1,2,…,n;对所述方位角方程求导为dαi=cixdxT+ciydyT-cixdxi-ciydyi,得到所述多无人飞行器的位置误差(dxi,dyi)和所述目标位置的目标定位误差(dxT,dyT),cix,ciy,cix,ciy为因子系数;利用GDOP衡量所述目标位置的目标定位误差(dxT,dyT)的定位精度,得到多飞行器协同定位队形优化模型Min f=Ghp,其中Ghp为所述多飞行器协同交叉定位在水平面内的几何精度因子;根据所述多无人飞行器的最小安全距离dsafe和最大通信距离dcom,制定所述多飞行器协同定位队形优化模型的约束条件;基于所述约束条件,利用粒子群算法对所述优化模型进行求解得到所述多无人飞行器的最优协同定位队形。通过建立多飞行器的协同定位队形优化模型,能够求解多飞行器协同定位队形的最优结果,收敛速度快,结果确定性高,灵活性好。
以上已经描述了本公开的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择,旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进,或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (5)
1.一种多无人飞行器协同定位的队形优化方法,其特征在于,所述方法包括:
对所述方位角方程求导为dαi=cixdxT+ciydyT-cixdxi-ciydyi,得到所述多无人飞行器的位置误差(dxi,dyi)和所述目标位置的目标定位误差(dxT,dyT),cix,ciy,cix,ciy为因子系数;
利用GDOP衡量所述目标位置的目标定位误差(dxT,dyT)的定位精度,得到多飞行器协同定位队形优化模型Min f=Ghp,其中Ghp为所述多飞行器协同交叉定位在水平面内的几何精度因子;
根据所述多无人飞行器的最小安全距离dsafe和最大通信距离dcom,制定所述多飞行器协同定位队形优化模型的约束条件;
基于所述约束条件,利用粒子群算法对所述优化模型进行求解得到所述多无人飞行器的最优协同定位队形。
4.根据权利要求1所述的队形优化方法,其特征在于,利用GDOP衡量所述多无人飞行器的位置误差(dxi,dyi)和所述目标位置的目标定位误差(dxT,dyT)的定位精度,包括:
当不考虑所述无人多飞行器的位置误差的方差时,利用GDOP衡量所述目标位置的目标定位误差的方差的定位精度。
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