本發(fā)明涉及復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)。更具體地，涉及一種無人機(jī)集群中建立蟻群行為模型的建模方法。

背景技術(shù)：

1、隨著信息技術(shù)和武器裝備的快速發(fā)展，無人機(jī)逐漸在軍事和民用領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，其靈活、輕便、隱蔽等特點(diǎn)受到了人們的廣泛認(rèn)可。未來，自主協(xié)同的無人機(jī)集群作戰(zhàn)將成為顛覆現(xiàn)有作戰(zhàn)場景的新作戰(zhàn)形式。無人機(jī)集群是指通過大量不同功能、不同種類的無人機(jī)之間的協(xié)作，所形成的復(fù)雜強(qiáng)大群體。無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的突破也推動(dòng)了無人機(jī)集群在搜索與救援、災(zāi)難監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)監(jiān)測等軍事和民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

2、無人機(jī)集群控制涉及到了任務(wù)規(guī)劃、態(tài)勢感知、信息通信等多種技術(shù)，隨著集群規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的由地面指揮中心發(fā)送指令的控制方式缺乏實(shí)時(shí)的決策能力，不容易處理任務(wù)執(zhí)行過程中的多機(jī)沖突。而自然界中的生物群體，通過分工協(xié)作，在群體層面涌現(xiàn)出“整體大于部分之和”的群體智能，其所具有的分布式、自組織等特點(diǎn)，使生物集群建模成為大規(guī)模無人機(jī)集群協(xié)同控制機(jī)制的可行方案。針對建立具有生物特征的無人機(jī)集群模型的問題，國內(nèi)外的研究者們已經(jīng)進(jìn)行了大量工作，對于無人機(jī)集群協(xié)調(diào)控制、路徑規(guī)劃等方面均有很多成果。然而，現(xiàn)有對生物集群的相關(guān)無人機(jī)建模研究仍存在一些問題：

3、(1)對無人機(jī)生物集群行為建模的研究不成熟。目前的基于生物集群的無人機(jī)集群建模研究，往往針對群體協(xié)同機(jī)制或具體場景下的優(yōu)化問題，對生物個(gè)體到無人機(jī)個(gè)體映射的研究不足，沒有建立生物個(gè)體到模型的底層行為邏輯映射。

4、(2)傳統(tǒng)的建模方法難以適應(yīng)無人機(jī)集群作戰(zhàn)需求，無人機(jī)集群作為典型的復(fù)雜系統(tǒng)，其運(yùn)行具有不透明性、不確定性以及多關(guān)聯(lián)性等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的建模仿真方法側(cè)重于對系統(tǒng)某一方面的分析，不能反應(yīng)主體的異質(zhì)性、主體性、交互性對系統(tǒng)效能的影響。

5、因此，如何根據(jù)生物集群行為，建立無人機(jī)集群模型，構(gòu)建生物個(gè)體到無人機(jī)個(gè)體，生物集群到無人機(jī)集群的映射亟需一種更加通用和有效的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為克服現(xiàn)有方法的不足，以蟻群為例，提供一種更加通用的無人機(jī)集群建模方法。本發(fā)明能夠?qū)⑽浵亗€(gè)體和無人機(jī)個(gè)體聯(lián)系起來，建立蟻群到無人機(jī)集群的映射機(jī)制，推進(jìn)無人集群的相關(guān)研究及其系統(tǒng)構(gòu)建，對發(fā)揮無人機(jī)集群作戰(zhàn)優(yōu)勢和提高作戰(zhàn)效能有重要的意義。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于蟻群行為的無人機(jī)集群建模方法：對無人機(jī)集群進(jìn)行分析，個(gè)體層劃分感知模塊、決策模塊、行為控制模塊、反饋模塊，群體層面設(shè)計(jì)群體交互模塊，建立螞蟻到無人機(jī)、蟻群到無人機(jī)集群的映射，構(gòu)建具有蟻群特點(diǎn)的無人機(jī)集群。具體步驟如下：

3、1)感知模塊：對無人機(jī)感知模塊建模，將螞蟻的感知系統(tǒng)和無人機(jī)的感知模塊進(jìn)行映射，設(shè)定無人機(jī)感知外部環(huán)境的方式和過程。

4、2)決策模塊：對無人機(jī)決策模塊進(jìn)行建模，為無人機(jī)的基本動(dòng)作和戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作定義重要度對比，設(shè)計(jì)無人機(jī)決策模型。

5、3)行為模塊：對無人機(jī)行為模塊建模，設(shè)計(jì)無人機(jī)的基本行為、交互行為行為模型，介紹蟻群無人機(jī)的搜索行為過程和協(xié)同攻擊過程。

6、4)反饋模塊：對無人機(jī)反饋模塊建模，設(shè)計(jì)無人機(jī)的反饋模塊部分，通過對目標(biāo)狀態(tài)評估、自身狀態(tài)評估和周圍無人機(jī)狀態(tài)評估來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)對周圍環(huán)境狀態(tài)的變化做出實(shí)時(shí)的反應(yīng)。設(shè)計(jì)簡易版本的激勵(lì)機(jī)制，對每個(gè)無人機(jī)agent設(shè)計(jì)激勵(lì)參數(shù)，通過簡單的獎(jiǎng)罰機(jī)制來給予無人機(jī)實(shí)時(shí)反饋。

7、5)群體交互模塊：對群體交互模塊建模，設(shè)計(jì)信息素通信機(jī)制，建立無人機(jī)集群的交互模型。

8、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，感知模塊建模具體包括：在自然界中，生物的感知極其重要，其為了生存必須時(shí)刻感知周圍的環(huán)境。通常在特定的生活環(huán)境中，不同的動(dòng)物有不同的感覺器官，即使是那些只具有非常簡單的感覺器官的動(dòng)物，感知過程也是復(fù)雜而多變的。自然界中動(dòng)物的感知方式主要被分為四大類，分別是視覺、聽覺、觸覺、嗅覺，螞蟻具有很差的視力，但是具有敏銳的嗅覺和觸覺，感知系統(tǒng)能幫助它們收集環(huán)境信息，并進(jìn)行群體之間的交流。無人機(jī)集成了大量的傳感器來進(jìn)行控制和飛行，本文依據(jù)無人機(jī)的各類傳感器建立仿生無人機(jī)的感知模型。

9、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，決策模塊建模具體包括：仿生無人機(jī)的決策模塊是控制無人機(jī)進(jìn)行行動(dòng)選擇的重要部分。決策模塊主要是根據(jù)蟻群的習(xí)性特點(diǎn)而專門設(shè)計(jì)的一種用于決策的行為選擇器。方法根據(jù)蟻群的行為特點(diǎn)設(shè)計(jì)出符合螞蟻特征的行為程序集。決策模塊會(huì)在無人機(jī)的系統(tǒng)中實(shí)時(shí)運(yùn)行：在每一個(gè)單位時(shí)間中，無人機(jī)會(huì)根據(jù)自己感知到的數(shù)據(jù)和自身的反饋狀態(tài)來進(jìn)行決策，應(yīng)該執(zhí)行什么樣的行為，從而根據(jù)行為來控制無人機(jī)這一時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)。

10、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，行為控制模塊建模具體包括：行為控制模塊是蟻群仿生無人機(jī)模型的重要組成部分，決策模塊解決的是“做什么”，行為控制模塊解決的是“怎么做”的問題。本方法設(shè)計(jì)無人機(jī)的基本行為模型和交互行為模型，對無人機(jī)個(gè)體的行為進(jìn)行建模。

11、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，反饋模塊建模具體包括：行為控制模塊是蟻群仿生無人機(jī)模型的重要組成部分，決策模塊解決的是“做什么”，行為控制模塊解決的是“怎么做”的問題。本方法設(shè)計(jì)無人機(jī)的基本行為模型和交互行為模型，對無人機(jī)個(gè)體的行為進(jìn)行建模。

12、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，反饋模塊建模具體包括：蟻群無人機(jī)的反饋模塊部分主要是通過對目標(biāo)狀態(tài)評估、自身狀態(tài)評估和周圍無人機(jī)狀態(tài)評估，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)根據(jù)周圍環(huán)境狀態(tài)的變化做出實(shí)時(shí)的反應(yīng)。同時(shí)，本方法還設(shè)計(jì)了簡易版本的激勵(lì)機(jī)制，對每個(gè)無人機(jī)設(shè)計(jì)激勵(lì)參數(shù)，通過簡單的獎(jiǎng)罰機(jī)制來給予無人機(jī)實(shí)時(shí)反饋。

13、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案，群體交互模塊建模具體包括：群體交互機(jī)制是螞蟻仿生無人機(jī)區(qū)別于其它類型仿生無人機(jī)的核心機(jī)制。蟻群之所以能夠發(fā)揮出驚人的能力，主要得益于群體之間的合作能力。蟻群仿生無人機(jī)模擬了蟻群中的信息素交流機(jī)制建立了獨(dú)特的群體交流模型。具體主要分為兩種交流機(jī)制：實(shí)時(shí)局部信息素交互和延時(shí)全局信息素交互。

14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

15、1)本發(fā)明提出的建模方法能夠?qū)o人機(jī)個(gè)體和生物集群中的螞蟻聯(lián)系起來，從而建立具有群體智能的無人機(jī)集群模型。

16、2)本發(fā)明提出的技術(shù)方案具有一般性，允許遷移到蟻群之外的生物集群進(jìn)行建模設(shè)計(jì)。

技術(shù)特征：

1.一種基于蟻群行為的無人機(jī)集群建模方法，其特征是對無人機(jī)集群系統(tǒng)的微觀個(gè)體層、宏觀網(wǎng)絡(luò)層兩個(gè)層面展開研究，從個(gè)體到群體的分析蟻群行為特征和無人機(jī)集群行為特征，建立蟻群個(gè)體到無人機(jī)個(gè)體，蟻群到無人機(jī)集群的映射機(jī)理，具體包括一下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蟻群行為的無人機(jī)集群建模方法，其特征在于，進(jìn)行螞蟻和無人機(jī)的微觀個(gè)體行為分析，建立無人機(jī)個(gè)體的模型，進(jìn)一步包括：無人機(jī)個(gè)體通過感知模塊、決策模塊、行為控制模塊、反饋模塊選擇自身的行為，模擬螞蟻與環(huán)境的交互。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于蟻群行為的無人機(jī)集群建模方法，其特征在于，進(jìn)行無人機(jī)集群系統(tǒng)的宏觀網(wǎng)絡(luò)分析，構(gòu)建無人機(jī)集群的群體交互模型，進(jìn)一步包括：在無人機(jī)個(gè)體模型的基礎(chǔ)上，研究蟻群的信息素機(jī)制，為無人機(jī)集群設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)局部信息素交互和延時(shí)全局信息素交互機(jī)制，通過個(gè)體的基本行為決策與群體之間的交互，共同構(gòu)建具有蟻群特點(diǎn)的無人機(jī)集群模型。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種基于蟻群行為的無人機(jī)集群建模方法，用來對無人機(jī)生物集群行為建模，以求進(jìn)一步提高無人機(jī)集群系統(tǒng)的群體效能表現(xiàn)。主要技術(shù)方案為：分析蟻群行為特征及無人機(jī)集群特征，將無人機(jī)集群劃分感知模塊、決策模塊、行為控制模塊、反饋模塊和群體交互模塊，建立螞蟻到無人機(jī)、從蟻群到無人機(jī)集群的映射，構(gòu)建具有蟻群特點(diǎn)的無人機(jī)集群。本發(fā)明有利于構(gòu)建具有生物集群群體智能特性的無人機(jī)集群，優(yōu)化無人機(jī)蜂群的協(xié)同機(jī)制，提高作戰(zhàn)能力。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于具有一般性，適用于包括蟻群在內(nèi)的多種生物集群建模。

技術(shù)研發(fā)人員：薛霄,李冠錠
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21