面向隊(duì)形保持的無(wú)人機(jī)編隊(duì)信息交互拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題的研究.pdf

1、無(wú)人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)編隊(duì)飛行(Formation Flight)是目前UAV領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在目標(biāo)偵察、目標(biāo)搜索、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)打擊、UAV空中加油等軍事和民用領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用前景，能夠有效擴(kuò)大編隊(duì)的偵察和搜索范圍、提高對(duì)目標(biāo)的識(shí)別率、定位精度和殺傷力，降低編隊(duì)的油耗，并為UAV的空中加油技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，因此具有非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
　　目前，UAV編隊(duì)飛行的研究仍處在探索

2、和發(fā)展階段，還有很多關(guān)鍵的理論和技術(shù)問(wèn)題亟待解決。本文致力于解決其中的面向隊(duì)形保持的UAV編隊(duì)信息交互拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題，在現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，采用運(yùn)籌學(xué)中的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化模型和方法，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。本文首先基于分層遞階求解的思路，從多個(gè)不同的角度對(duì)此復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行分解和建模，然后在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)圍繞其中三項(xiàng)關(guān)鍵的子問(wèn)題展開(kāi)研究。完成的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下:
　　(1)深入分析了面向隊(duì)形保持的UAV編隊(duì)信息交互拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題。

3、>　　對(duì)問(wèn)題的相關(guān)要素進(jìn)行了分析，建立了相應(yīng)的形式化描述模型。給出了問(wèn)題的定義，并將其約束條件歸納為編隊(duì)控制方法約束、編隊(duì)領(lǐng)航者約束和故障約束。從UAV編隊(duì)所使用的編隊(duì)控制方法的角度，將此優(yōu)化問(wèn)題分解為六類子問(wèn)題:面向隊(duì)形保持的領(lǐng)航-跟隨者編隊(duì)、一致性編隊(duì)、剛性編隊(duì)、持久編隊(duì)、虛擬結(jié)構(gòu)編隊(duì)和行為編隊(duì)的信息交互拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題，并將前面兩個(gè)子問(wèn)題統(tǒng)一建模為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的最小樹(shù)形圖模型、將中間兩個(gè)子問(wèn)題統(tǒng)一建模為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的最優(yōu)持久圖模型、將后面

4、兩個(gè)子問(wèn)題統(tǒng)一建模為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的旅行商問(wèn)題模型。從UAV編隊(duì)飛行過(guò)程中是否發(fā)生故障的角度，將此優(yōu)化問(wèn)題分解為兩類子問(wèn)題:面向隊(duì)形保持的UAV編隊(duì)無(wú)故障時(shí)的信息交互拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題、面向隊(duì)形保持的UAV編隊(duì)有故障時(shí)的信息交互拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題，并從是否允許進(jìn)行UAV位置重構(gòu)的角度將后一個(gè)子問(wèn)題進(jìn)一步分解為:面向隊(duì)形保持的UAV編隊(duì)有故障時(shí)的信息交互拓?fù)渲貥?gòu)問(wèn)題、面向隊(duì)形保持的UAV編隊(duì)有故障時(shí)的信息交互拓?fù)渲貎?yōu)化問(wèn)題。
　　(2)系統(tǒng)研究了面

5、向隊(duì)形保持的領(lǐng)航-跟隨者編隊(duì)信息交互拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題。
　　針對(duì)面向隊(duì)形保持的領(lǐng)航-跟隨者編隊(duì)無(wú)故障時(shí)的信息交互拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題，提出了基于最小樹(shù)形圖的領(lǐng)航-跟隨者編隊(duì)信息交互拓?fù)鋬?yōu)化算法，并從理論上證明了算法的正確性，和現(xiàn)有算法相比，本算法可以為每個(gè)UAV選擇最合適的編隊(duì)隊(duì)形位置，選擇最合適的UAV作為編隊(duì)領(lǐng)航者，確保得到的信息交互拓?fù)涞木庩?duì)通信代價(jià)最小，并且算法時(shí)間復(fù)雜度更低。針對(duì)面向隊(duì)形保持的領(lǐng)航-跟隨者編隊(duì)有故障時(shí)的信息交互拓?fù)鋬?yōu)

6、化問(wèn)題，首先提出了基于最小樹(shù)形圖的領(lǐng)航-跟隨者編隊(duì)信息交互拓?fù)渲貥?gòu)算法，和現(xiàn)有算法相比，本算法可以處理更多類型的故障，得到的重構(gòu)信息交互拓?fù)涞木庩?duì)通信代價(jià)更小，并且算法的時(shí)間復(fù)雜度更低;其次提出了基于UAV位置重構(gòu)和最小樹(shù)形圖的領(lǐng)航-跟隨者編隊(duì)信息交互拓?fù)渲貎?yōu)化算法，和現(xiàn)有算法相比，本算法可以確保針對(duì)小規(guī)模UAV編隊(duì)時(shí)一定能得到全局最優(yōu)的重優(yōu)化信息交互拓?fù)?，并且能夠適用于任意的編隊(duì)隊(duì)形;最后提出了啟發(fā)式的領(lǐng)航-跟隨者編隊(duì)信息交互拓?fù)渲貎?yōu)

7、化算法，能夠在短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出一個(gè)次優(yōu)的重優(yōu)化信息交互拓?fù)洌詽M足大規(guī)模UAV編隊(duì)的計(jì)算時(shí)間要求。
　　(3)系統(tǒng)研究了面向隊(duì)形保持的二維持久編隊(duì)信息交互拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題。
　　針對(duì)面對(duì)隊(duì)形保持的二維持久編隊(duì)無(wú)故障時(shí)的信息交互拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題，提出了基于二維最優(yōu)持久圖的二維持久編隊(duì)信息交互拓?fù)鋬?yōu)化算法，并從理論上證明了算法的正確性，和現(xiàn)有算法相比，本算法可以為每個(gè)UAV選擇最合適的編隊(duì)隊(duì)形位置，選擇最合適的UAV作為編隊(duì)領(lǐng)航者，并且算

8、法時(shí)間復(fù)雜度更低。針對(duì)面對(duì)隊(duì)形保持的二維持久編隊(duì)有故障時(shí)的信息交互拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題（目前還未見(jiàn)相關(guān)的研究報(bào)道），首先提出了基于二維最優(yōu)持久圖的二維持久編隊(duì)信息交互拓?fù)渲貥?gòu)算法，能夠快速得到最優(yōu)的重構(gòu)信息交互拓?fù)?其次提出了基于UAV位置重構(gòu)和二維最優(yōu)持久圖的二維持久編隊(duì)信息交互拓?fù)渲貎?yōu)化算法，針對(duì)小規(guī)模UAV編隊(duì)可以確保得到全局最優(yōu)的重優(yōu)化信息交互拓?fù)?，并且適用于任意的編隊(duì)隊(duì)形;最后提出了啟發(fā)式的二維持久編隊(duì)信息交互拓?fù)渲貎?yōu)化算法，能夠在短

9、時(shí)間內(nèi)計(jì)算出一個(gè)次優(yōu)的重優(yōu)化信息交互拓?fù)洌詽M足大規(guī)模UAV編隊(duì)的計(jì)算時(shí)間要求。
　　(4)系統(tǒng)研究了面向隊(duì)形保持的三維持久編隊(duì)信息交互拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題。
　　針對(duì)面向隊(duì)形保持的三維持久編隊(duì)無(wú)故障時(shí)的信息交互拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題，提出了基于三維最優(yōu)持久圖的三維持久編隊(duì)信息交互拓?fù)鋬?yōu)化算法，并從理論上證明了算法的正確性，和現(xiàn)有算法相比，本算法可以為每個(gè)UAV選擇最合適的編隊(duì)隊(duì)形位置，選擇最合適的UAV作為編隊(duì)領(lǐng)航者，并且算法時(shí)間復(fù)雜度更低

10、。針對(duì)面向隊(duì)形保持的三維持久編隊(duì)有故障時(shí)的信息交互拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題（目前還未見(jiàn)相關(guān)的研究報(bào)道），首先提出了基于三維最優(yōu)持久圖的三維持久編隊(duì)信息交互拓?fù)渲貥?gòu)算法，能夠快速得到最優(yōu)的重構(gòu)信息交互拓?fù)?其次提出了基于UAV位置重構(gòu)和三維最優(yōu)持久圖的三維持久編隊(duì)信息交互拓?fù)渲貎?yōu)化算法，針對(duì)小規(guī)模UAV編隊(duì)可以確保得到全局最優(yōu)的重優(yōu)化信息交互拓?fù)?，并且適用于任意的編隊(duì)隊(duì)形;最后提出了啟發(fā)式的三維持久編隊(duì)信息交互拓?fù)渲貎?yōu)化算法，能夠在短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出一個(gè)