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应急搜索UAV集群协同任务规划策略

鲁旭涛 智超群 张丽娜 秦英伟 李静 王英

鲁旭涛, 智超群, 张丽娜, 秦英伟, 李静, 王英. 应急搜索UAV集群协同任务规划策略[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(1): 187-194. doi: 10.11999/JEIT210219
引用本文: 鲁旭涛, 智超群, 张丽娜, 秦英伟, 李静, 王英. 应急搜索UAV集群协同任务规划策略[J]. 电子与信息学报, 2022, 44(1): 187-194. doi: 10.11999/JEIT210219
LU Xutao, ZHI Chaoqun, ZHANG Lina, QIN Yingwei, LI Jing, WANG Ying. Multi-UAV Regional Patrol Mission Planning Strategy[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(1): 187-194. doi: 10.11999/JEIT210219
Citation: LU Xutao, ZHI Chaoqun, ZHANG Lina, QIN Yingwei, LI Jing, WANG Ying. Multi-UAV Regional Patrol Mission Planning Strategy[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2022, 44(1): 187-194. doi: 10.11999/JEIT210219

应急搜索UAV集群协同任务规划策略

doi: 10.11999/JEIT210219
基金项目: 山西省应用基础研究(201701D221124),山西省重点研发计划(201903D221025),山西省青年科技基金(201801D221236)
详细信息
    作者简介:

    鲁旭涛:男,1980年生,副教授,研究方向为嵌入式系统应用以及智能算法

    通讯作者:

    鲁旭涛 Luxutaonuc@163.com

  • 中图分类号: TP249

Multi-UAV Regional Patrol Mission Planning Strategy

Funds: Shanxi Applied Basic Research Project (201701D221124), Shanxi Key R & D Project (201903D221025), Shanxi Youth Science and Technology Fund (201801D221236)
  • 摘要: 目前应急搜索无人机(UAV)集群存在搜索效率低、覆盖完整性低、多机组网稳定性差等问题。对此,该文提出一种基于优化模糊C聚类算法(O-FCMA)结合优化混合粒子群算法(O-HPSO)的终端-路由UAV区域搜索任务规划策略。以UAV监测区域范围为基础,通过建立搜索区域的空间模型,进一步运用O-FCMA进行区域几何划分,并采用O-HPSO实现划分区域内的路径规划,以实现多UAV集群搜索总体任务的规划。仿真实验结果表明,采用O-HPSO结合O-FCMA进行无源UAV区域搜索任务较ACO或模拟退火算法结合K聚类算法或FCMA相比,在保证搜索区域全覆盖条件下,有源搜索与无源搜索过程中UAV决策时间分别降低了7%~21%和16%~31%,搜索效率分别提升了7%~13%和3%~7%。结果表明所提方法有效降低了UAV集群的决策时间,提升了搜索效率。
  • 图  1  区域搜索算法环境模型

    图  2  UAV集群组网结构

    图  3  UAV区域聚类中心

    图  4  UAV集群路由节点寻优图

    图  5  UAV集群无线组网节点寻优图

    图  6  O-FCMA流程图

    图  7  蜂窝覆盖原理图

    图  8  蜂窝-节点覆盖图

    图  9  O-HPSO流程图

    图  10  本方法总体流程图

    图  11  有源搜索本文算法UAV集群路径图

    图  12  有源搜索5种算法UAV路径对比图

    图  13  无源搜索本文算法UAV集群路径图

    图  14  无源搜索5种算法UAV路径对比图

    表  1  总体方法中常数参数数值及说明

    参数说明取值
    $ v $UAV行驶恒定速度2.1
    $ {v_r} $经过重复区域飞行速度5.3
    $ a $总体平均搜索效率权重0.7
    $ b $成功搜索UAV搜索效率权重0.3
    $ {\mu _1} $总计时间行驶距离权重3.5
    $ {\mu _2} $总计时间经过重复飞行区域权重0.5
    $ \alpha $适应度函数时间变量权重0.1
    $ \beta $适应度函数空间变量权重0.9
    $ \sigma $加入当前节点距离最近节点欧氏距离后的影响权重0.06
    $ \xi $搜索区域划分标准0.1
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    表  2  有源搜索对比试验结果

    算法名称成功搜索UAV
    距离(m)
    总搜索
    效率
    算法寻优
    时间(s)
    本文算法106.10.9338
    ACO-K聚类算法104.80.8246
    模拟退火算法 -K聚类算法117.20.8742
    ACO-FCMA104.40.8541
    模拟退火算法-FCMA107.60.8246
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    表  3  无源搜索对比试验结果

    算法名称UAV行驶距离总搜索效率算法寻优
    时间(s)
    最大最小
    本文算法156700.9542
    ACO-K聚类算法175710.8950
    模拟退火算法 -K聚类算法165820.9249
    ACO-FCMA170750.9155
    模拟退火算法-FCMA175740.8848
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-15
  • 修回日期:  2021-11-17
  • 录用日期:  2021-11-17
  • 网络出版日期:  2021-11-20
  • 刊出日期:  2022-01-10

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