易天奇

(武警宜春支隊,江西 宜春336000)

無人機之間的配合工作需要通過無人機多機協(xié)同偵察系統(tǒng)實現(xiàn),可以準(zhǔn)確地對目標(biāo)區(qū)域進行偵察,獲得目標(biāo)區(qū)域的相關(guān)情報信息,使偵察人員可以及時了解目標(biāo)區(qū)域的具體情況,為后續(xù)工作提供重要依據(jù),進而保障無人機具有良好的應(yīng)用水平。

1 無人機多機協(xié)同偵察系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)界面。系統(tǒng)界面需要由各個功能模塊組成,通過控件與窗口的相互配合來實現(xiàn)。窗口主要承擔(dān)兩方面的作用：一方面,用于承載相應(yīng)的控件,將其嵌入到窗口。另一方面,用于數(shù)據(jù)展示,顯示無人機偵察到的信息[1]。

1.2 操作窗口。無人機的操作需要通過操作窗口實現(xiàn)。通過該窗口可以設(shè)置無人機的偵察模式,進而實現(xiàn)相應(yīng)的偵察功能。以區(qū)域監(jiān)視為例,操作流程如下：首先,需要在偵察模式選項卡中選擇區(qū)域監(jiān)視模式,設(shè)置偵察目標(biāo)的相關(guān)參數(shù),如區(qū)域范圍、目標(biāo)特征等,監(jiān)視范圍通過GPS定位實現(xiàn),可以準(zhǔn)確地確定監(jiān)視區(qū)域。其次,區(qū)域監(jiān)視模式啟動后,各個無人機之間將會相互配合在區(qū)域進行偵察,對目標(biāo)進行尋找。每臺無人機配有CCD相機,可以生成高分辨率的彩色圖像,將其與事先輸入目標(biāo)特征進行對比,進而確定目標(biāo)的位置。最后,目標(biāo)位置確定后,可以通過窗口查看目標(biāo)位置,并且采取相應(yīng)的措施。

圖1 偵察流程

1.3 偵察流程。無人機多機協(xié)同偵察流程可以根據(jù)圖1 所示的流程圖來實現(xiàn)。下面將對偵察流程進行分析：首先,需要選擇偵察方案,進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定,為目標(biāo)偵察做好準(zhǔn)備工作,完成目標(biāo)場景信息的構(gòu)建。其次,需要實現(xiàn)無人機的偵察功能,在目標(biāo)區(qū)域?qū)ふ夷繕?biāo)。偵察目標(biāo)采用三種方式進行綜合判斷,分別為電子偵察、合成孔徑雷達(dá)(SAR)、CCD 相機。只要其中一種偵察方式捕獲到目標(biāo),便說明找到目標(biāo)。例如：當(dāng)電子偵察檢測與目標(biāo)的距離不大于200m或SAR 檢測與目標(biāo)距離不大于50m 或CCD 檢測到與目標(biāo)距離不大于30m時,視為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。最后,無人機找到目標(biāo)后,會通過窗口對偵察結(jié)果進行顯示,供偵察人員對目標(biāo)信息進行分析。

1.4 控制算法。控制算法的實現(xiàn)需要以模型為基礎(chǔ),無人機多機協(xié)同偵察模型如下：第一,無人機偵測區(qū)域設(shè)置為圓形區(qū)域。第二,目標(biāo)位于無人機探測區(qū)域內(nèi)即為捕獲目標(biāo)。通過上述方法可以有效地對無人機多機協(xié)同偵察模型進行簡化,便于無人機多機協(xié)同控制算法的實現(xiàn)。無人機多機協(xié)同偵察算法模型[2]如下：

目標(biāo)函數(shù)：

2 無人機多機協(xié)同偵察系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 協(xié)同任務(wù)分配技術(shù)。無人機偵察過程中,往往偵察目標(biāo)的數(shù)量不止一個,這時便需要采取協(xié)同任務(wù)分配技術(shù),無人機偵察任務(wù)進行有效地分配,保障多機協(xié)同偵察方式能夠順利實現(xiàn)。通常情況下,偵察目標(biāo)的分布具有不確定性,再加上無人機的數(shù)量有限,為了對無人機資源進行最大化地利用,同時提高無人機偵察效率,需要注意任務(wù)分配的協(xié)調(diào)性,讓各個無人機能夠密切配合,使執(zhí)行偵察功能的無人機能夠形成一個整體。

無人機協(xié)同運動模型如下：

無人機多級協(xié)同偵察過程可以通過受限模型實現(xiàn)。受限模型如下：

其中,無人機協(xié)同運動模型可以作為目標(biāo)函數(shù),受限模型可以作為約束條件,這樣便可以對協(xié)同任務(wù)進行有效地分配,避免各個無人機的任務(wù)發(fā)生沖突。

2.2 感知智能決策技術(shù)。感知智能決策技術(shù)可以提高無人機多機協(xié)同偵察的自動化水平,使其能夠在復(fù)雜的環(huán)境下進行偵察作業(yè),防止無人機受到環(huán)境因素的影響而發(fā)生損壞。感知智能決策基本判斷條件如下：

決策類別狀態(tài)：

ωi， i =1，...， c

決策采取概率：

通過對決策概率的設(shè)定,可以讓無人機執(zhí)行相應(yīng)的決策。感知智能決策技術(shù)在無人機中的應(yīng)用主要包含兩個方面：一方面,提高無人機的感知能力,一般通過數(shù)字化感知技術(shù)來實現(xiàn),可以有效地對無人機周邊環(huán)境進行檢測,對危險環(huán)境產(chǎn)生預(yù)警,從而進行有效地回避,避免無人機受到損傷。另一方面,提高無人機的決策能力,使其能夠自動躲避危險、障礙物等,即使在無人控制的情況下也能正常工作,并且保證不會發(fā)生墜機事件。通過感知智能決策技術(shù)可以讓無人機更好地應(yīng)對突發(fā)狀況,使無人機在失去人為控制的情況下仍然能夠繼續(xù)工作,從而保障多級協(xié)同偵察即使在惡劣的環(huán)境下也能夠?qū)崿F(xiàn)。

2.3 數(shù)據(jù)處理評估技術(shù)。無人機多機協(xié)同偵察過程中將會形成大量的偵察數(shù)據(jù),而在這些數(shù)據(jù)中只有一小部分信息是有效的,對有效信息進行篩選非常重要。對數(shù)據(jù)進行篩選之前,首先需要解決數(shù)據(jù)的存儲問題,并且將偵察數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、全面地進行存儲。偵察數(shù)據(jù)通常存儲在無人機多機協(xié)同偵察系統(tǒng)的專有數(shù)據(jù)庫中,并且根據(jù)偵察數(shù)據(jù)的類型進行科學(xué)地分類,這樣既可以使信息存儲結(jié)構(gòu)更加地規(guī)范化和系統(tǒng)化,又能夠提高偵察信息的檢索效率,可以快速地檢索到需要的偵察信息。在有效數(shù)據(jù)篩選方面,需要根據(jù)檢索類型在數(shù)據(jù)庫中找到相應(yīng)的分類,再從分類中進一步進行篩選。當(dāng)檢索到所需信息后,需要對偵察信息進行評估,判斷信息是否有效,進而提高數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和快速性[3]。偵察數(shù)據(jù)可以采用PTVDDBN模型進行存儲,模型變量由X[t],θ(t),G[t]組成,三者之間具有如下關(guān)系：

其中,X[t]為節(jié)點,用于存儲偵察數(shù)據(jù)。

2.4 多源信息融合技術(shù)。通過多源信息融合技術(shù)是整合無人機偵察信息的重要方式,主要用于提高時間與空間的匹配程度,即保證多機協(xié)同偵察數(shù)據(jù)的實時傳輸效果,避免出現(xiàn)時間與空間出現(xiàn)不匹配的問題,從而對目標(biāo)進行有效識別和精準(zhǔn)定位,提高無人機采樣信息的準(zhǔn)確性和可靠性。無人機上載有多種傳感設(shè)備,如CCD、SAR、多光譜等。以CCD相機為例,分辨率最高可達(dá)到38 萬以上,讀出速度可以達(dá)到500fps 以上。這樣才能有效地對空間環(huán)境進行分析,而傳感設(shè)備信息的捕獲效率將決定著時間與空間的匹配程度。例如：CCD相機捕獲目標(biāo)的精度非常重要,一旦超出精度范圍,將會導(dǎo)致圖像時間與空間不匹配,使得無人機偵察到的圖像與當(dāng)前時刻相差過大,進而導(dǎo)致偵察信息失去時效性。因此,對無人機多源信息進行融合非常重要,這樣可以有效地對目標(biāo)進行識別,提高目標(biāo)監(jiān)測的精度。

2.5 互聯(lián)互通交互技術(shù)?；ヂ?lián)互通交互技術(shù)可以保障無人機之間的偵察數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r共享,對偵察信息進行有效地管理。無人機的種類較多,如圖像偵察無人機、電子偵察無人機等,不同類型無人機之間相互配合可以有效地提高偵察效率,保障無人機偵察工作能夠順利完成。無人機多機協(xié)同需要通過通信技術(shù)來實現(xiàn),無人機之間需要頻繁地進行數(shù)據(jù)交互,將環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時共享。無人機協(xié)同偵察過程如圖2 所示,各個無人機將偵察到的信息傳遞給情報處理中心,對偵察信息統(tǒng)一進行收集。再將處理好信息向其它無人機進行傳遞,這樣便實現(xiàn)了偵察信息在無人機之間的互聯(lián)互通,將偵察信息對各個無人機進行共享,從而有效地解決了多機協(xié)同偵察的信息共享問題。

圖2 無人機協(xié)同偵察

2.6 數(shù)據(jù)快速分發(fā)技術(shù)。數(shù)據(jù)快速分發(fā)技術(shù)主要用于解決無人機多機協(xié)同偵察的時效性問題,使偵察信息能夠快速地傳遞,滿足無人機偵察對實時性的要求。數(shù)據(jù)快速分發(fā)技術(shù)在多機協(xié)同偵察中的應(yīng)用主要包含兩個方面：

一方面,需要采取最短路徑的方式進行數(shù)據(jù)分發(fā),保障數(shù)據(jù)能夠快速地在無人機之間進行傳遞,使無人機之間能夠形成偵察網(wǎng),對偵察環(huán)境進行全方位的覆蓋。最短路徑可以采用Floyd-Warshall算法來實現(xiàn),使一種動態(tài)規(guī)劃算法。以三點的最短路徑為例,設(shè)三點為i、j、k,其中k 為媒介節(jié)點,則最短路徑表示如下：

dist[k](i,j)=min{dist[k-1](i,j),dist[k-1](i,k)+dist[k-1](k,j)}

另一方面,需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),在協(xié)議層進行偵察數(shù)據(jù)的分發(fā),以廣播的形式將數(shù)據(jù)傳遞給各個無人機。這樣網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點便會接受和轉(zhuǎn)發(fā)大量的數(shù)據(jù)信息,接著,對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行合理地分配,進而縮短信息的傳遞時間,將偵察數(shù)據(jù)進行快速地分發(fā)。

綜上所述,多機協(xié)同偵察系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于無人機偵察中,可以有效地提高無人機的覆蓋偵察面積,保障偵察數(shù)據(jù)具有良好的準(zhǔn)確性。無人機多機協(xié)同偵察系統(tǒng)涉及到了信息、通信、控制等多方面的技術(shù),在多種技術(shù)相互配合下才得以實現(xiàn),使得無人機多機協(xié)同系統(tǒng)的構(gòu)成極為復(fù)雜。因此,為了保障無人技術(shù)能夠更好地發(fā)展,提高相關(guān)技術(shù)的研究非常重要。