本發(fā)明屬于飛行器編隊導航、制導與控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體來說是一種用于導彈自主編隊在隊形控制過程中的沖突協(xié)調(diào)方法。
背景技術(shù)：
：由于現(xiàn)代陸?？仗煲惑w化防御技術(shù)迅速發(fā)展，尤其是高價值軍事目標(如航母戰(zhàn)斗群和戰(zhàn)略指揮中心等)的區(qū)域防空、近程點防御力量組成了多層反導防空體系，使得制導武器的突防作戰(zhàn)能力和攻擊效果大大下降。為了突破敵方的多層反導防空體系，提升制導武器裝備的綜合作戰(zhàn)效能，世界軍事強國競相研發(fā)具有綜合智能制導能力的飛航導彈，并采用多類型配合、多批次和成規(guī)模的飛航導彈自主式的協(xié)同突防作戰(zhàn)方式，既可充分發(fā)揮低成本制導武器裝備的規(guī)模優(yōu)勢，又可以利用新型制導武器的高技術(shù)優(yōu)勢，形成協(xié)同電子對抗、梯次聯(lián)合突防、規(guī)模飽和打擊等手段，提升新型的戰(zhàn)術(shù)級的體系威懾能力和有效的體系對抗能力。導彈自主編隊是指能夠自主地遂行任務(wù)的導彈編隊。在編隊遂行特定的飛行任務(wù)(比如低空突防、飽和攻擊等)時，為了追求作戰(zhàn)效能的最大化，往往需要導彈自主編隊是高動態(tài)的(即飛行速度快、機動過載大)，而且編隊隊形是扁平的、密集的。在有限的導彈機動能力、有限的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、有限的傳感器與探測器的測量精度以及復(fù)雜多變的任務(wù)環(huán)境條件下，導彈自主編隊的高動態(tài)、扁平化與密集化使導彈成員之間發(fā)生沖突的概率增大。這要求導彈自主編隊控制系統(tǒng)具備良好的編隊隊形控制能力與編隊沖突預(yù)測與協(xié)調(diào)能力。目前，在編隊隊形控制與避免沖突的算法中，大部分的控制對象為相對較慢且控制精度較高的機器人或無人機編隊，其編隊控制方法大多是基于Reynolds三規(guī)則(即分離規(guī)則、聚合規(guī)則以及速度一致規(guī)則)設(shè)計的，特別是當編隊成員間距離小于預(yù)設(shè)的編隊相對安全距離的時候，才采取避免沖突機動。然而，因為高動態(tài)的、扁平的、密集的導彈自主編隊的導彈成員的控制精度相對較低，定位與相對導航的精度相對較差，所以上述的編隊控制方法直接用在導彈自主編隊上是不合適的，當導彈成員間距小于安全距離的時候，編隊的碰撞概率將增大，不利于編隊的安全與穩(wěn)定。而且避碰機動的時間會影響編隊隊形形成的速度，降低了編隊的效率。另外，傳統(tǒng)編隊隊形控制算法在避免沖突的過程中都沒有關(guān)注編隊的整體利益，即沒有關(guān)注如何以最小的群體代價來避免沖突，這容易引起新的沖突，即沖突的“鏈式效應(yīng)”。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是為了避免導彈自主編隊在隊形控制過程中發(fā)生的沖突，以及易產(chǎn)生沖突的“鏈式效應(yīng)”的問題。本發(fā)明提出了一種編隊沖突協(xié)調(diào)方法。首先，本發(fā)明給出了編隊沖突預(yù)測的方法，并以此來預(yù)測編隊沖突。然后，本發(fā)明提出了移動沖突隊形位置的沖突協(xié)調(diào)方法，給出了編隊沖突協(xié)調(diào)指令的約束條件，提出了基于距離的導彈自主編隊的群體代價，并設(shè)計了編隊沖突協(xié)調(diào)算法的流程，通過優(yōu)化算法得到的最優(yōu)的編隊沖突協(xié)調(diào)指令避免了編隊沖突和沖突的“鏈式效應(yīng)”，并縮短了編隊隊形形成的時間，保證了編隊隊形控制的安全與穩(wěn)定。本發(fā)明提供的導彈自主編隊在隊形控制過程中的沖突協(xié)調(diào)方法，包括如下步驟：第一步，給出編隊隊形坐標系的定義，編隊隊形的定義，編隊隊形的形成條件，編隊沖突的定義以及兩個節(jié)點之間存在潛在沖突的條件。所述的編隊隊形包括編隊靜態(tài)隊形、編隊絕對隊形和編隊相對隊形。第二步，針對編隊沖突預(yù)測算法預(yù)測到的一個編隊沖突，采用移動沖突隊形位置的沖突協(xié)調(diào)方法，得到?jīng)_突協(xié)調(diào)指令。第三步，給出沖突協(xié)調(diào)指令的約束條件，基于距離的導彈自主編隊的群體代價，將編隊沖突協(xié)調(diào)問題轉(zhuǎn)化為非線性約束優(yōu)化問題。第四步，針對編隊沖突池中的沖突，通過優(yōu)化算法生成和選取優(yōu)化后的編隊沖突協(xié)調(diào)指令，如果生成了，則輸出；否則，編隊需要重新決策新的編隊相對隊形指令。得到的最優(yōu)的編隊沖突協(xié)調(diào)指令避免了編隊沖突和沖突的“鏈式效應(yīng)”，并縮短了編隊隊形形成的時間，保證了編隊隊形控制的安全與穩(wěn)定。本發(fā)明的優(yōu)點在于：(1)本發(fā)明所提出的導彈自主編隊沖突協(xié)調(diào)算法可以避免編隊沖突，以及發(fā)生沖突的鏈式效應(yīng)。(2)本發(fā)明所提出的導彈自主編隊沖突協(xié)調(diào)算法考慮到了編隊的群體代價，通過優(yōu)化算法使得沖突協(xié)調(diào)指令的群體代價最小，從而保證了編隊的安全、穩(wěn)定與高效。附圖說明圖1：本發(fā)明中編隊隊形坐標系與編隊隊形示意圖；圖2：本發(fā)明中編隊沖突示意圖；圖3：本發(fā)明中移動沖突隊形位置示意圖；圖4：本發(fā)明中恢復(fù)沖突隊形位置示意圖；圖5：本發(fā)明中編隊沖突協(xié)調(diào)算法流程圖；圖6：本發(fā)明中導彈自主編隊的初始條件示意圖；圖7：本發(fā)明中編隊隊形形成過程的仿真圖；圖8：本發(fā)明中遺傳算法的優(yōu)化過程；圖9：本發(fā)明中編隊成員距離曲線仿真圖。具體實施方式下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。本發(fā)明提出一種導彈自主編隊在隊形控制過程中的沖突協(xié)調(diào)方法，具體實施步驟如下：第一步，給出編隊隊形坐標系的定義，編隊隊形的定義，編隊隊形的形成條件，編隊沖突的定義以及兩個節(jié)點之間存在潛在沖突的條件。(1)建立編隊隊形坐標系。如圖1所示，Ocxcyczc為編隊隊形坐標系(FormationConfigurationCoordinateSystem,FCCS)。坐標原點Oc與編隊隊形參考位置Qr(t)相重合，Qr(t)可以取編隊中實際節(jié)點或虛擬節(jié)點的實時位置。xc軸在二維編隊平面內(nèi)指向編隊隊形所規(guī)定的前向。zc軸在二維編隊平面內(nèi)垂直于xc軸指向右側(cè)。yc軸垂直于二維編隊平面向上。絕對坐標系可選取為地面坐標系，即坐標原點Og為地面上任意一點，xg軸位于地平面并指向某一方向，yg軸垂直于地面并指向地心，zg軸也位于地平面并垂直于xg軸，其方向按照右手定則確定。由編隊隊形坐標系與絕對坐標系之間的關(guān)系定義編隊隊形偏航角ψc為：xc在地平面上的投影與絕對坐標軸xg之間的夾角。ψc左偏為正。(2)編隊隊形的定義以及編隊隊形的形成條件。編隊靜態(tài)隊形定義為[SCi]n×1，SCi表示導彈自主編隊成員εi在FCCS中的靜態(tài)隊形位置矢量,n為編隊規(guī)模，i＝1,2,…,n。編隊絕對隊形定義為[Ci(t)]n×1，Ci(t)表示導彈自主編隊成員εi在絕對坐標系中的絕對隊形位置矢量，其計算公式為：Ci(t)=SψcSCi+Qr(t)---(1)]]>其中為編隊隊形坐標系到絕對坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣。編隊相對隊形矩陣定義為[Cij]n×n，其中,Cij=Cj(t)-Ci(t)=Sψc(SCj-SCi)---(2)]]>Cij表示導彈自主編隊成員εi和導彈自主編隊成員εj的相對隊形位置關(guān)系，t表示時刻。以Ci(t)的終點為圓心，以σci為半徑的圓域(圖1中點劃線及其以內(nèi)部分)定義為Ci(t)的絕對隊形圓域。其中：σci＝kci·σi，kci≥0為Ci(t)的絕對隊形系數(shù)，且kci越小，表示編隊絕對隊形越嚴格；σi表示單個導彈自主編隊成員保持與其它導彈自主編隊成員相對距離的標準差，Qci(t)表示絕對隊形圓域內(nèi)的一點。當前編隊形成編隊絕對隊形的條件定義為：Δdi(t)=|Ci(t)-Qi(t)|≤σci,∀i∈I---(3)]]>當前編隊形成編隊相對隊形的條件定義為：Δdij(t)=|Cij-Qij(t)|≤σcij,∀i,j∈I,i≠j---(4)]]>其中，I＝{1,2,…,n}導彈自主編隊成員編號集合，Qij(t)＝Qj(t)-Qi(t)為導彈自主編隊成員εi與導彈自主編隊成員εj的相對位置矢量，Qj(t)為導彈自主編隊成員εi的絕對位置矢量，σcij為導彈自主編隊成員εi與導彈自主編隊成員εj的加權(quán)相對距離標準差。σcij＝kcij·σij(5)kcij≥0為Cij的相對隊形系數(shù)，且kcij越小，表示編隊相對隊形越嚴格；σij表示兩個導彈自主編隊成員保持它們之間相對距離的標準差。假設(shè)導彈自主編隊成員εi與導彈自主編隊成員εj在相對距離的保持上是互不相關(guān)的隨機過程，則σij2=σi2+σj2---(6)]]>(3)編隊沖突的定義。編隊沖突定義為：導彈自主編隊在編隊隊形形成的過程中的時刻t，即Δdij(t)＞σcij，產(chǎn)生導彈自主編隊成員間的距離dij(t)不大于相對安全距離dsij的現(xiàn)象，即dij(t)≤dsij。編隊沖突用CFij表示，i,j表示發(fā)生沖突的導彈自主編隊成員編號，也表示發(fā)生沖突的隊形位置編號。整個編隊沖突的集合定義為沖突池(Collisionpool,CP)。其中，dsij表示導彈自主編隊成員εi和導彈自主編隊成員εj的相對安全距離，即當它們間的距離dij(t)≤dsij時，說明發(fā)生了編隊沖突，必須采取必要的避碰措施。如圖2所示。由于導彈自主編隊成員ε3與導彈自主編隊成員ε6的相對隊形位置矢量C36與當前相對位置矢量Q36(t)大致相反，導致它們之間的相對速度矢量P36(t)快速地減小它們的間距d36(t)，當d36(t)≤ds36時，由于編隊控制算法的避碰機制，必將使d36(t)增大，然后重復(fù)上述過程，直到它們之間的側(cè)向距離達到一定距離后，它們才可以順利地到達各自的隊形位置。這是單純基于傳統(tǒng)避碰算法的導彈自主編隊的編隊隊形形成的過程，它的突出缺點有：(a)導彈自主編隊成員ε3與導彈自主編隊成員ε6的距離長時間在安全距離附近擺動，由于高機動的導彈的慣性較大，控制精度較低，所以成員間發(fā)生碰撞的概率增大；(b)導彈自主編隊成員ε3與導彈自主編隊成員ε6長時間地進行連續(xù)加速、減速機動，不僅大量地消耗燃料，而且對發(fā)動機的性能要求苛刻；(c)導彈自主編隊成員ε3與導彈自主編隊成員ε6錯出來的側(cè)向距離形成過程緩慢，導致編隊隊形控制的效率變低；(d)如果沒有特殊的避碰機制，則在導彈自主編隊成員ε3和導彈自主編隊成員ε6避碰機動的過程中，有可能又產(chǎn)生新的沖突，即產(chǎn)生了沖突的“鏈式效應(yīng)”，這對于編隊的安全與穩(wěn)定是不利的。所以，針對導彈自主編隊，沖突預(yù)測與協(xié)調(diào)是必要的。(4)兩個節(jié)點(即兩個導彈自主編隊成員)之間存在潛在沖突的條件。用于沖突預(yù)測的相對安全距離定義為：d^sij=ks·dsij---(7)]]>其中，ks＞1表示余度系數(shù)，它用于補償預(yù)測誤差，保證編隊隊形控制的安全，dsij表示實際的安全距離。εi和εj之間存在潛在的沖突的充分必要條件為：(a):|Cij-Qij(t)|>σcij(b):Cij·(Cij-Qij(t))|Cij-Qij(t)|>σcij(c):Cij·Qij(t)|Qij(t)|2<1(d):|Cij|2-[Cij·(Cij-Qij(t))]2|Cij-Qij(t)|2≤d^sij2---(8)]]>其中，條件(8)-(a)(b)(c)的物理意義為：Qij(t)還沒有形成Cij；條件(8)-(d)的物理意義為：dij(t)的最小值小于等于第二步，針對編隊沖突預(yù)測算法(式(8))預(yù)測到一個編隊沖突，采用移動沖突隊形位置的沖突協(xié)調(diào)方法，得到?jīng)_突協(xié)調(diào)指令。如圖3所示，移動沖突隊形位置的定義為：如果存在編隊沖突CFij，則移動編隊靜態(tài)隊形位置SCi和SCj其中的一個(不妨設(shè)為SCi)，還需要移動由于SCi的移動所牽連到的其他靜態(tài)隊形位置來協(xié)調(diào)編隊沖突CFij。由于編隊靜態(tài)隊形位置SCi的移動所牽連到的靜態(tài)隊形位置的集合定義為一次牽連集合,表示導彈自主編隊成員εi與導彈自主編隊成員之間的編隊沖突；由于的移動所牽連到的靜態(tài)隊形位置集合定義為二次牽連集合，表示導彈自主編隊成員與導彈自主編隊成員之間的編隊沖突；由于的移動所牽連到的靜態(tài)隊形位置集合定義為k次牽連集合，表示導彈自主編隊成員與導彈自主編隊成員之間的編隊沖突。重復(fù)上述過程，直到不再發(fā)生牽連為止。定義所有受到牽連的靜態(tài)隊形位置的集合為：Se＝Se1∪Se2∪…Sek∪…(9)移動沖突隊形位置的數(shù)學表達設(shè)定為：FCCC的數(shù)學表達設(shè)定為：其中，F(xiàn)RCC＝[Cij]n×n表示編隊期望的相對隊形指令；FCCC表示編隊沖突協(xié)調(diào)指令；FRMC表示FRCC經(jīng)過FCCC協(xié)調(diào)收的編隊相對隊形指令；ΔSCi表示在編隊隊形坐標系中移動的位移，SCm表示受到牽連的靜態(tài)隊形位置。此外，F(xiàn)CCC＝0也表示恢復(fù)沖突隊形位置，即將FRMC恢復(fù)到FRCC，如圖4所示。第三步，給出編隊沖突協(xié)調(diào)指令的約束條件，結(jié)合基于距離的導彈自主編隊的群體代價，將編隊沖突協(xié)調(diào)問題轉(zhuǎn)化為非線性約束優(yōu)化問題。所述的編隊沖突協(xié)調(diào)指令的約束條件，令Tij(t)＝Cij-Qij(t)，則ΔSCi的約束如下：其中，式(12)-(a)是指導彈自主編隊成員εi和導彈自主編隊成員εj由FRPM(編隊當前相對位置，即FRPM＝[Qij(t)]n×n)到FRCC有沖突CFij的條件；(12)-(b)是指整個編隊由編隊相對位置矩陣(FormationRelativePositionMatrix，F(xiàn)RPM)到FRMC無沖突的條件；(12)-(c)是指整個編隊由FRMC到FRCC無沖突的條件；(12)-(d)是指在編隊隊形坐標系中，F(xiàn)RMC和FRCC的隊形寬度dwmc(t)和dwcc(t)均小于當前編隊安全走廊的寬度dwm(t)；表示在編隊隊形坐標系中SCk的zc坐標值。(a):|Tij(t)-ΔSCi|>σcij,(Cij-ΔSCi)·(Tij(t)-ΔSCi)|Tij(t)-ΔSCi|>σcij,(Cij-ΔSCi)·(Cij-Tij(t))|Cij-Tij(t)|2<1,|Cij-ΔSCi|2-[(Cij-ΔSCi)·(Tij(t)-ΔSCi)]2|Tij(t)-ΔSCi|2>d^sij2(b):|ΔSCi|>σcij,Cij·(ΔSCi)|ΔSCi|>σcij,Cij·(Cij-ΔSCi)|Cij-ΔSCi|2<1,|Cij|2-(Cij·ΔSCi)2|ΔSCi|2>d^sij2---(13)]]>特別的，(13)-(a)是指導彈自主編隊成員εi和導彈自主編隊成員εj由FRPM到FRMC無沖突的條件，(13)-(b)是指εi和εj由FRMC到FRCC無沖突的條件。顯然，(13)-(a)包含于(12)-(b)，(13)-(b)包含于(12)-(c)。從(12)和(13)可以看出，ΔSCi的約束范圍不僅與Cij，Qij(t)，dwm(t)有關(guān)，還與編隊的具體隊形有關(guān)。因此，要得到簡化的和統(tǒng)一的ΔSCi的約束范圍表達式是困難的。所述的基于距離的導彈自主編隊的群體代價，是指：以Δds(t)衡量導彈自主編隊的群體代價。Δds(t)的計算公式如下：Δds(t)＝Δdmcs(t)+Δdccs(14)其中，Δdmcs(t)表示編隊由FRPM形成FRMC所需要相對運動的距離和；Δdccs表示編隊由FRMC形成FRCC所需要相對運動的距離和。計算公式如下：Δdmcs(t)=12Σi,j∈I,i≠jΔdmcij(t)=12Σi,j∈I,i≠j|Cmcij-Qij(t)|---(15)]]>Δdccs=12Σi,j∈I,i≠jΔdccij=12Σi,j∈I,i≠j|Cccij-Cmcij|---(16)]]>FCCC的優(yōu)化選取問題轉(zhuǎn)化為以(14)為目標函數(shù)，以(12)的ΔSCi為約束條件的非線性約束優(yōu)化問題，可以選取適合的優(yōu)化算法來解決。第四步，導彈自主編隊編隊沖突協(xié)調(diào)算法的流程。如圖5所示。編隊沖突協(xié)調(diào)指令FCCC生成與優(yōu)化選取的思路是：(a)針對編隊沖突池CP中的沖突，使用優(yōu)化算法生成和選取編隊沖突協(xié)調(diào)指令FCCCo。(b)判斷是否生成了優(yōu)化過的編隊沖突協(xié)調(diào)指令FCCCo。如果生成了，則輸出，流程結(jié)束；如果沒有生成，則需要將此情況反饋給編隊決策模塊，編隊決策模塊按照一定的規(guī)則來重新給出更加合理的編隊沖突協(xié)調(diào)指令FRCC。其中，圖5沒產(chǎn)生優(yōu)化過的編隊沖突協(xié)調(diào)指令FCCCo的原因有2個：(a)式(12)無可行解。(b)計算時間超過了算法實時性要求的最大時間。需要說明的是：上述的沖突協(xié)調(diào)只是針對沖突池CP中只有一個沖突的情況。當CP存在多個沖突時，首先選出沖突最多的一對相對隊形位置，其他的沖突隊形位置臨時設(shè)定為它們所對應(yīng)的成員當前位置，則此時CP中只剩下一個沖突，然后按照上述流程進行沖突協(xié)調(diào)，協(xié)調(diào)完成后，恢復(fù)其他沖突隊形位置。反復(fù)上述過程，直到但是，當CP中沖突多且復(fù)雜時，編隊隊形形成的時間將增大。實施例實施例截取編隊規(guī)模n＝6個導彈編隊遂行任務(wù)中的隊形變換過程，編隊采用集中式編隊結(jié)構(gòu)，通信網(wǎng)絡(luò)的消息更新率為5Hz。編隊靜態(tài)隊形是以ε1為參考點設(shè)計的，即Qr(t)＝Q1(t)，參考點按照規(guī)劃好的編隊航路引導整個編隊在dwm(t)＝6000.0m的安全走廊內(nèi)巡航飛行并且在整個過程中，令ψc＝0°，即編隊隊形在絕對坐標系中的相對位置關(guān)系不變。為了更充分地驗證編隊沖突協(xié)調(diào)算法的有效性，編隊沖突設(shè)計為機動自由空間最小的CF25，即導彈自主編隊在t＝500.0s交換ε2和ε5的靜態(tài)隊形位置。編隊初始條件見表1和圖6所示。表1導彈自主編隊的初始條件在圖6中，兩邊的粗線為導彈自主編隊安全走廊的邊界。細線為規(guī)劃的編隊航路。虛線和數(shù)字999.6為導彈自主編隊成員ε2和導彈自主編隊成員ε5之間的實時距離。點劃線和數(shù)字1000.1為導彈自主編隊成員ε2和導彈自主編隊成員ε6之間的實時距離。由于編隊的協(xié)同性需求，假設(shè)各個導彈成員的型號、動靜態(tài)特性相同?；谠撔蛯椀奶匦?，編隊的其它參數(shù)設(shè)定為：對于σi＝176.8m，由(6)得：kcij＝1，由式(5)得：σcij＝250.0m。dsij＝620.0m，ks＝1.05，由(7)得：如果導彈自主編隊成員εi和導彈自主編隊成員εj在靜態(tài)隊形中是相鄰的，則令期望的編隊相對距離μij＝1000.0m。選取FCCC的優(yōu)化算法為遺傳算法，考慮到算法的實時性與準確性，令群體個數(shù)設(shè)為50，令遺傳代數(shù)設(shè)為20；考慮到該型導彈在巡航段不宜做不必要的減速，令待優(yōu)化的參數(shù)考慮到編隊隊形與安全走廊的約束，令待優(yōu)化的參數(shù)次仿真在傳統(tǒng)編隊控制算法的基礎(chǔ)上加入編隊沖突協(xié)調(diào)算法，并以此控制導彈自主編隊的隊形。編隊隊形形成過程如圖7(a)～(f)所示。在t＝500.0s時，編隊預(yù)測到?jīng)_突CP＝{CF25}。利用遺傳算法得到了ΔSC2＝(0.0，1719.1)，并且Se＝{SC3,SC6}。因此，即遺傳算法的優(yōu)化過程圖8所示。其中，在計算到第20代的時候，得到的最優(yōu)群體代價為36959.5m，此時的平均群體代價為41077.6m。然后，在編隊隊形控制算法的牽引下，編隊逐漸形成FRMC(如圖7(a)(b)所示)。當編隊判斷FRPM已經(jīng)形成FRMC(如圖7(c)所示)時，令FCCC＝0，此時的編隊相對隊形為FRCC。然后，在編隊隊形控制算法的牽引下，編隊逐漸形成FRCC(如圖7(d)(e)(f)所示)。此外，在整個沖突協(xié)調(diào)的過程中沒有發(fā)生其他沖突，即避免了沖突的“鏈式效應(yīng)”。導彈自主編隊成員ε2和導彈自主編隊成員ε5之間的實時距離如圖9所示，其中“withFCFCA”表示使用了本方法所得到的實時距離曲線。由圖可以看出，加入編隊沖突協(xié)調(diào)算法，在編隊整個隊形形成過程中，d25(t)＞ds25恒成立，即成功避免了導彈自主編隊成員ε2和導彈自主編隊成員ε5之間的沖突。當前第1頁1 2 3