兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (6): 1564-1575.doi: 10.12382/bgxb.2022.0095
收稿日期:
2022-02-19
上线日期:
2023-06-30
通讯作者:
FAN Boyang, ZHAO Gaopeng*(), BO Yuming, WU Xiang
Received:
2022-02-19
Online:
2023-06-30
摘要:
针对由地面无人车与多无人机组成的空地异构无人系统面向大范围、多目标的协同任务分配问题,以无人系统完成任务时间为优化目标,同时考虑无人机收放、续航能力以及任务时序等约束条件,建立空地异构无人系统的任务分配模型,提出一种多目标空地异构无人系统任务分配方法。结合密度值最大聚类和混合粒子群优化算法,对空地异构无人系统的任务分配问题进行求解,从而得到满足约束条件的全局任务分配结果;通过仿真实验对所提方法进行验证。实验结果表明,该方法能够有效地求解在不同作战环境中的空地异构无人系统的任务分配问题。
范博洋, 赵高鹏, 薄煜明, 吴祥. 多目标空地异构无人系统协同任务分配方法[J]. 兵工学报, 2023, 44(6): 1564-1575.
FAN Boyang, ZHAO Gaopeng, BO Yuming, WU Xiang. Collaborative Task Allocation Method for Multi-Target Air-Ground Heterogeneous Unmanned System[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(6): 1564-1575.
聚类算法 | 发现簇数量 | DBI值 |
---|---|---|
密度值最大聚类 | 16 | 0.9281 |
DBSCAN算法 | 16 | 1.0168 |
k-means算法 | 16(手动设定) | 1.5859 |
表1 12000m×12000m范围聚类划分结果对比
Table 1 Comparison of clustering results in the range of 12000m×12000m
聚类算法 | 发现簇数量 | DBI值 |
---|---|---|
密度值最大聚类 | 16 | 0.9281 |
DBSCAN算法 | 16 | 1.0168 |
k-means算法 | 16(手动设定) | 1.5859 |
算法 | 参数 | 数值 | 算法 | 参数 | UAV任务分配 | UGV任务分配 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
邻域半径/m | 1000 | 种群数量 | 800 | 250 | |||
密度值最大聚类 | 密度阈值 | 5 | 混合粒子群优化 | 迭代次数 | 2400 | 800 | |
簇距离阈值/m | 1500 | 交叉概率 | 0.7 | 0.7 | |||
变异概率 | 0.7 | 0.7 |
表2 6000m×6000m范围协同任务分配方法参数
Table 2 Parameters of thecollaborative task allocation method in the range of 6000m×6000m
算法 | 参数 | 数值 | 算法 | 参数 | UAV任务分配 | UGV任务分配 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
邻域半径/m | 1000 | 种群数量 | 800 | 250 | |||
密度值最大聚类 | 密度阈值 | 5 | 混合粒子群优化 | 迭代次数 | 2400 | 800 | |
簇距离阈值/m | 1500 | 交叉概率 | 0.7 | 0.7 | |||
变异概率 | 0.7 | 0.7 |
无人系统 | 释放点 坐标/m | 任务序列 | 任务耗时/s | 降落点 | UGV抵达降 落点耗时/s |
---|---|---|---|---|---|
UAV1 | [7,38,10,4, 44,42, 23,36,12,33,49,29] | 1718.11 | |||
UAV2 | [11,15,8,5,14,20,28,48,46,22] | 1340.85 | |||
UAV3 | (365,106) | [47,9,21,34,1,39,31,16,32,3,50,27,40,6] | 1562.53 | 目标点[40] | 1335.49 |
UAV4 | [19,45,18,17,30,26,24,43,37,13,41,35,2,25] | 1643.87 | |||
UGV | [7,48,22,40,5,45,11,8,2,35,41,13,30,16,44,23,49] | 4323.73 |
表3 6000m×6000m范围协同任务分配结果
Table 3 Collaborative task allocation in the range of 6000m×6000m
无人系统 | 释放点 坐标/m | 任务序列 | 任务耗时/s | 降落点 | UGV抵达降 落点耗时/s |
---|---|---|---|---|---|
UAV1 | [7,38,10,4, 44,42, 23,36,12,33,49,29] | 1718.11 | |||
UAV2 | [11,15,8,5,14,20,28,48,46,22] | 1340.85 | |||
UAV3 | (365,106) | [47,9,21,34,1,39,31,16,32,3,50,27,40,6] | 1562.53 | 目标点[40] | 1335.49 |
UAV4 | [19,45,18,17,30,26,24,43,37,13,41,35,2,25] | 1643.87 | |||
UGV | [7,48,22,40,5,45,11,8,2,35,41,13,30,16,44,23,49] | 4323.73 |
参数 | UAV任务分配 | UGV任务分配 |
---|---|---|
种群数量 | 800 | 250 |
迭代次数 | 2400 | 800 |
交叉概率 | 0.7 | 0.7 |
变异概率 | 0.7 | 0.7 |
表4 12000m×12000m范围不划分子任务区域的协同任务分配方法参数
Table 4 Parameters of the task allocation method without clustering in the range of 12000m×12000m
参数 | UAV任务分配 | UGV任务分配 |
---|---|---|
种群数量 | 800 | 250 |
迭代次数 | 2400 | 800 |
交叉概率 | 0.7 | 0.7 |
变异概率 | 0.7 | 0.7 |
无人 系统 | 规划结果 | ||
---|---|---|---|
释放点 坐标/m | 任务 序列 | 降落点 | |
UAV1 | [14,37,38,30,50,49,20,26,6,36,17,33,45] | 目标点[5] | |
UAV2 | (617,85) | [1,24,18,3,47,34,25,19,15,23] | |
UAV3 | [41,35,46,8,40,9,16,39,4,44,31,7,13,27] | ||
UAV4 | [2,10,28,48,22,12,43,29,32,42,11,5,21] |
表5 12000m×12000m范围不聚类划分子任务区域的协同任务分配结果
Table 5 Task allocation result without clustering in the range of 12000m×12000m
无人 系统 | 规划结果 | ||
---|---|---|---|
释放点 坐标/m | 任务 序列 | 降落点 | |
UAV1 | [14,37,38,30,50,49,20,26,6,36,17,33,45] | 目标点[5] | |
UAV2 | (617,85) | [1,24,18,3,47,34,25,19,15,23] | |
UAV3 | [41,35,46,8,40,9,16,39,4,44,31,7,13,27] | ||
UAV4 | [2,10,28,48,22,12,43,29,32,42,11,5,21] |
算法 | 参数 | 数值 | 算法 | 参数 | 子任务区域任务分配 | UAV任务分配 | UGV任务分配 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
邻域半径/m | 1000 | 种群数量 | 240 | 240 | 50 | |||
密度值最大聚类算法 | 密度阈值 | 5 | 混合粒子群优化算法 | 迭代次数 | 720 | 720 | 200 | |
簇距离阈值/m | 1500 | 交叉概率 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | |||
变异概率 | 0.7 | 0.7 | 0.7 |
表6 12000m×12000m范围协同任务分配方法参数
Table 6 Parameters of the collaborative task allocation method in the range of 12000m×12000m
算法 | 参数 | 数值 | 算法 | 参数 | 子任务区域任务分配 | UAV任务分配 | UGV任务分配 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
邻域半径/m | 1000 | 种群数量 | 240 | 240 | 50 | |||
密度值最大聚类算法 | 密度阈值 | 5 | 混合粒子群优化算法 | 迭代次数 | 720 | 720 | 200 | |
簇距离阈值/m | 1500 | 交叉概率 | 0.7 | 0.7 | 0.7 | |||
变异概率 | 0.7 | 0.7 | 0.7 |
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表7 12000m×12000m范围内多目标空地异构无人系统协同任务分配结果
Table 7 Collaborative task allocation for multi-target air-ground heterogeneous unmanned system in the range of 12000m×12000m
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图13 12000m×12000m范围内多目标空地异构无人系统协同任务分配示意图
Fig.13 Schematic diagram of the collaborative task allocation for multi-target air-ground heterogeneous unmanned system in the range of 12000m×12000m
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