翼眸科技綜述面向無人機集群路徑規劃的智能優化算法

2020-12-23 航拍

隨著人工智慧技術的迅猛發展, 無人機(unmanned aerial vehicle, UAV)逐步朝著小型化、智能化方向發展, 因其成本低、靈活性高、隱蔽性強, 被廣泛應用於戰場偵察、聯合攻擊、應急救援等行動, 已成為未來智能化、無人化作戰的重要手段之一[1–2]. 鑑於單架無人機在續航能力、廣域偵察搜索等方面的局限性, 多架無人機協同組成無人機集群(unmanned aerial vehicle swarm)執行任務成為當前無人機作戰應用的重要模式[3]. 較之於單架無人機, 無人機集群具有明顯的規模優勢、協同優勢等[4], 可有效提高任務完成的可靠性. 然而, 實現無人機集群高效協同的首要問題, 即是如何科學合理地為無人機集群進行路徑規劃.如圖1所示, 當前關於單架無人機路徑規劃的研究較多, 然而面向無人機集群的路徑規劃研究則相對較少. 不同於單無人機路徑規劃, 無人機集群的路徑規劃除了考慮單機的可控飛行, 各種威脅之外, 還需考慮集群規模、功能結構、協同方式等帶來的挑戰, 其本質上是一個複雜的大規模約束多目標優化問題. 智能優化算法因其對優化問題的性質要求低、魯棒性高,而被廣泛應用於求解路徑規劃問題.鑑於此, 本文綜述了近些年面向無人機集群路徑規劃的智能優化算法研究, 首先介紹了無人機集群路徑規劃的基本模型, 包括規劃空間表示、優化目標函數及約束條件等, 其次闡述了基於不同智能優化算法的無人機集群路徑規劃研究現狀、詳細對比分析了不同類型算法的優勢與不足, 最後對無人機集群路徑規劃研究進行了展望.

無人機集群路徑規劃模型

路徑規劃是智能體自主完成任務的重要組成部分,要求在規劃空間中快速找到由多個線段或多個路徑點依次連接而成的最優路徑. 路徑表示常用兩種方式:一是由航速和航向構成的時間序列(基於動力學); 二是由空間位置坐標構成的時間序列(基於幾何學). 無人機集群路徑規劃需要在一般路徑規劃模型的基礎上, 進一步綜合考慮無人機集群的環境約束、自身約束和集群內約束.

無人機集群路徑規劃模型

常用的路徑規划算法可大致分為精確方法、啟發式算法和智能優化算法3類. 相對於智能優化算法, 我們稱精確方法和啟發式算法為傳統方法, 如混合整數線性規劃法[37]、窮舉法[38]、動態規劃[39–40]、Voronoi圖法[41]、人工勢場法[42]、A*算法[43]等. 傳統方法在解決路徑規劃問題時存在很多局限[44–47], 如精確法只適用於小規模路徑規劃問題, 當目標函數和約束條件較為複雜時, 精確方法很難給出有效解. 啟發式算法易陷入局部最優, 同樣也不適用於規模較大的問題.具體的, Voronoi圖法可選擇的路徑有限; 人工勢場法解的質量取決於勢場的建立, 特別是在吸引力和排斥力相等位置較多時很難找到最優路徑, 而且當目標點距離較遠且附近存在威脅時, 也很難找到可行路徑;A*算法的效率隨著搜索空間的增加而不斷下降並且多應用於單無人機路徑規劃[48–50].

總 結

綜上所述, 儘管針對無人機集群路徑規劃的智能優化研究已有不少, 但現有研究還存在如下問題:

首先, 現有研究多關注靜態全局路徑規劃, 即假設在環境信息已知條件下對路徑進行預先規劃, 對未知、不確定性、強對抗環境下的路徑規劃和飛行過程中突發狀況的路徑動態調整規避等相關研究較少. 已有的方法也大多採用快速搜索隨機樹法、人工勢場法或滾動窗口法進行動態避障, 如文獻[88]利用集合點規劃狀態圖對突發威脅進行實時路徑規劃; 文獻[89]基於投影矩陣和虛擬力原理設計了兩種動態避障策略並通過啟發式快速搜索隨機樹法進行路徑重規劃.因此針對不確定、強對抗環境下無人集群的動態路徑規劃亟需更高效的算法支撐.

其次, 現有無人機集群路徑規劃的模型存在局限性. 現有研究將無人機集群路徑規劃分為兩階段: 生成路徑、協同規劃, 大多數研究僅構建了第1階段生成路徑的模型, 如何在模型中綜合考慮集群的任務、時間協同約束、航跡的平滑, 從而提高路徑規劃的精確性, 值得進一步深入研究.

第三, 應用智能優化算法求解路徑規劃模型時, 多採用蟻群算法、粒子群算法、遺傳算法或相關混合算法. 近年來, 深度學習和強化學習等人工智慧方法在序貫決策優化問題(如TSP, VRP等)上顯示出了較好的性能, 能夠實現路徑的快速規劃. 文獻[86–87, 90]已將強化學習用於多智能體路徑規劃中, 且獲得了良好的效果. 因此, 如何基於深度學習和強化學習等方法進行無人機集群路徑規劃是未來重要的研究方向,有望實現動態、在線路徑規劃.

第四, 現有研究對集群間的協同表述還不夠完善,有的未考慮協同, 只是簡單地規劃出多條路徑; 有的只對時間和空間上的協同進行了約束, 總體而言, 對深層次協同的研究較少. 未來智能體集群更像一個生命系統, 具備整體性、層次性和相關性, 智能體通過完成各自的任務, 在宏觀上, 則可以完成高級複雜的任務. 因此, 如何規劃好集群整體和局部的關係、局部間的關係, 如何提高協同性, 最大化集群效益有待進一步研究.

無人機集群協同完成各種遂行作戰任務是未來智能化、無人化聯合作戰的重要應用之一, 路徑規劃作為無人機集群執行各類任務的基礎技術, 在無人機集群應用中發揮著重要的作用. 本文綜述了無人機集群路徑規劃的模型及方法, 重點分析了基於不同類型智能優化算法的無人機集群路徑規劃研究, 闡述了不同類型智能算法的優勢及不足, 展望了無人機集群路徑規劃的未來研究方向, 可為開展相關研究的學者提供良好的參考和借鑑.

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