支援型无人机群的航路规划方法研究

麻凯

摘要：当今战争中低、慢、小的无人机成为战场上辅助己方的助手。在战场上，持续支援和快速部署是无人机辅助己方行动的主要方式。本文提出了一种快速布置无人机群并根据我方人员移动实施持续跟随支援的方法。本文提出先根据己方目标数量和支援完成的概率计算无人机出动的数量，再根据己方位置规划出一条能够实现最快支援型的无人机群释放的路径。最后，本文以高效支援、全部支援为原则，综合无人机群飞行速度和目标位置因素，提出一种进行跟随支援的航路规划策略。在支援过程中，各个无人机根据己方的具体移动情况，实施实时的目标修改和方向修正从而完成高效精准的持续支援。本文将该方法编成软件，并通过随机生成的目标和不同的无人机航时验证了该方法的可行性。

关键字：无人机群；多目标分析与控制方法；无人机群协同; 目标自主分配

引言

无人机群联合补给是无人机航程规划的重要研究方向[1]。当今战争中，无人机群的打击效果要远高于单个无人机机[2]。同时，无人机路径规划技术研究也是提高单架无人机费效比的技术手段[3]。因此, 发展无人机群感知战场形势自主智能决策和协同是目前主要的研究方向。目前，有人机与无人机协同打击已经进行了很长时间研究。有人机可在安全且可控距离指令无人机群前出完成任务, 并利用数据链进行实时控制。这类协同实现了有人机和无人机互补。根据无人机集群性要求,多机协同跟踪目标是无人机航行规划的核心任务。牛轶峰等研究了使用尽量少的无人机对多个目标跟随,同时保证系统定位精度和鲁棒性。韩旭提出了种基于粒子群算法的搜索路径的方法用于无人机群的多目标打击任务时的航程规划方法。

无人机群多目标攻击航程规划的研究也可视作为其他问题进行研究。比如无人机群多目标攻击航程规划决策的研究也可以等效为多旅行商问题。夏令儒等提出了基于MTSP的无人机的航路规划方案研究; 也有人进一步提出了基于聚类后MTSP算法来完成多机协同攻击航程规划，该算法改进了路线规划的计算效率并提高了运算效率。

在实际战场上补给己方和攻击敌方一样重要。影响无人机群支援和打击效果的因素是一样的。除了实时通讯和地形地貌外，还有一下4个需要考虑的问题：

问题1：无人机群的规模

从实际看，无人机群中的单机支援成功率一般是有限的。要达完成支援任务的目的，必须在已知无人机群的单机支援成功概率f1的情况下，按照人为设定的机群支援成功概率f2（一般情况下f1<f2）提前计算单个己方目标支援成功所需的补给型无人机数量。

问题2：无人机群释放位置

无人机群释放地点要根据实际被支援目标的分布情况优化得到。战场上，无人机群集中有可能遭到打击而损失，一般分散部署无人机群最为合理。同时，无人机群释放位置距离己方支援目标过远会影响支援成功率和持续支援时间。因此，本文提出了可采用快速完成部署无人机群的方案。快速释放无人机群可以保证无人机沿设定位置布置，这种布置方式可以降低无人机被大量消灭的可能性。快速布置无人机群具有速度快、可调整、布置灵活的特点。而且，科学的无人机群位置也能提升支援目标的效率，进而增加被支援目标的在战场上的作战效率。

问题3：无人机群自主支援策略

无人机群一旦释放即按照初始分配支援目标航行。但是，如果支援目标移动，且移动方向不规则就需要无人机群实时更新目标位置。目前，这个技术目前大多数无人机生产厂家已经具备，如图2。但是当多个目标发生交叉走位、反向移动甚至某无人机支援的目标更接近其他无人机等情况发生时，支援目标应该根据这些情况做出调整并同时修改航路。

问题4：无人机群有效支援时间；

考虑到无人机群的支援效果有可能低于设计效果，故应该让无人机群在有效的支援时间内尽快抵达目标，并对目标持续跟随并支援。其中，跟随支援优点是能够减少被支援方负重，又能延长支援时间。无人机群执行任务时间到达上限后，要有自动返回安全区的电量，从而确保无人机顺利回收。

无人机群投放路线布置方法

灵活和分散布置是释放无人机群合理方式之一。本文提出采用导弹、飞机等高速载具携带无人机并快速沿指定的路线释放的方案。在释放无人机时，要考虑的因素有载具释放无人机初始路线、载具路线调整能力和多个被支援目标的初始位置。本文以平面模型方式提出释放无人机的起始点坐标和终了点坐标作为控制参数，将含有目标位置的评估函数（1）式作为优化目标函数，采用本文提出的多目标优化方法的得到合理的释放无人机释放路线。具体方法如下：

设含有目标位置的评估函数为

（1）

这里，是第个目标坐标到与两点之间线段的最短距离，为第个目标的坐标。

无人机群支援目标分配策略

无人机群由载具沿飞行路线释放。随后，根据无人机各自位置和被支援目标位置，无人机分配支援目标。分配支援目标需要考虑：

第一步：计算所有无人机到所有被支援目标的

距离（初始时刻），为的矩阵， 计算所有无人机到达所有目标的时间矩阵

，，为根据无人机有效支援时间内可调整的次数。 为第次调整时的所有无人机的速度向量，为的向量。其中，计算方法如（2）式，

（2）

第二步：以所有目标都能被支援为原则。 以最长飞行时间对应的目标作为第一个支援目标。针对第一个支援目标的支援时间最少的前几个无人机向第一目标前进；以此类推，所有目标都分配个无人机。

第三步：下一时刻，重复第一步和第二步。

总结

无人机群是信息化战争中高效支援的新生力量。本文提出综合无人机投放量、投放路线和目标选择三个主要因素的支援型无人机群航程规划方法并且由无人机自主完成全部支援过程。

参考文献：

[1]包战, 王树文. 有人/无人机协同作战能力生成问题研究. 国防科技,2017, 38(3): 76 – 79.

[2]张昊，辛斌，窦丽华，陈杰，Kaoru HIROTA.无人机群协同路径规划研究综述[J].,2020,第21卷: 1671-1695.

[3]彭辉. 分布式多无人机协同区域搜索中的关键问题研究. 长沙: 国防科学技术大学, 2014: 320 –325.