基于量子生物地理优化的低空UAV编队在线协同航迹规划方法研究

The online cooperative control is an important direction in the development of UAVs. The online cooperative route planning is is an advanced and difficlut problem, which hasn’t been solved effectively until today. The project will mainly focus on the online cooperative route planning model and route planning method to solve cooperative route planning problem. The main research of the project is as follows: 1）we will design the cooperative route mode，establish the mathematic model of online cooperative route planning and propose layered computing architecture which firstly adoptes the distributed computing and then adoptes the centralized coordinating method; 2) propose the distributed cooperative route planning method which adopts the synthetical strategies of velocity adjust，length adjust and combinatorial optimization, and then propose the strategy to speed up the planning,which uses the space reducing method、multiple resolution planning method and distributed parallel computing method ; 3) propose the quantum BBO algorithm, and design the algorithm for route planning based on the cooperative and fast planning strategy. The above content is the expected theoretical breakthroughs and technological innovation of the project. The research content of the project is the foundation for the engineering applications of online cooperative route planning and will promote the related science research.

低空无人飞行器编队在线协同控制是无人飞行器发展的重要趋势。在线协同航迹规划是其中的关键技术和难点问题，至今尚未有效突破。课题针对低空UAV编队在线协同航迹规划对规划方法快速性和协同性的要求，重点研究在线协同航迹规划模型和航迹规划方法，主要包括：1）设计航迹协同模式，建立低空飞行器编队在线协同航迹规划模型，并提出针对该模型的“分布式计算—集中式协调”的分层求解框架；2）针对航迹协同要求，创新性地提出综合应用速度、长度调整和组合优化的分散式协同航迹规划方法，针对在线规划快速性要求，提出应用规划空间缩减、空间多分辨率规划和分布式并行计算等综合策略；3）创新性地提出量子生物地理学新型优化算法，并结合快速规划策略和协同策略对该算法进行设计，实现在线协同航迹规划。本课题预期在上述几方面获得理论突破和技术创新，为无人飞行器编队在线协同航迹规划的工程应用奠定理论基础，对促进相关学科研究起到积极推动作用。

低空无人飞行器编队在线协同航迹规划是无人飞行器集群化、智能化的关键问题、难点问题和热点问题。课题重点研究了多UAV在线协同航迹规划方法。1） 设计了单UAV突现目标，时间要求，灵活目标，侦查与毁伤评估等五种模式，多UAV时间协同、功能协同、空间协同、攻击方向协同等四种协同航迹模式，建立了多UAV在线协同航迹规划数学模型，提出了“分布式计算—集中式协调”的分层求解框架；2）提出了综合应用速度、长度调整和组合优化的分散式协同航迹规划方法，设计了基于虚拟目标点的攻击角度协同策略、基于航迹差异性的空间协同策略、基于ETA的时间协同策略，提出了应用规划空间缩减、空间多分辨率规划和分布式并行计算的综合快速规划策略，研究了改进的稀疏A*算法方法，研究了基于V图理论和遗传优化的航迹快速预估方法；3）提出了突现威胁规避在线航线调整策略及方法、攻击目标变更在线航线策略及方法、延时攻击模式在线航迹规划方法、攻击时间提前模式在线航迹规划方； 4）提出量子生物地理学新型优化算法，实现在线协同航迹规划；5）建立了人在回路UAV飞行航迹优劣评估指标体系，建立了UAV的飞行仿真计算模型，提出了基于飞行包络的变权综合航迹评估方法。课题在多UAV在线协同规划模型、“分布式计算—集中式协调”的分层求解框架、在线协同航迹调整策略、量子生物地理快速优化算法等方面有创新。课题研究成果作为关键技术获得军队科技进步一等奖1项，三等奖1项，发表学术论文28篇，专利2项，出版专著１部，支持培养博士1名，硕士有3名，支持参加国内竞赛获得全国二等奖2项、三等奖1项、优胜奖3项，以项目成果为依托成功申报了863课题、十三五预先研究课题1项、型号预研课题1项。本课题在上述几方面获得的理论突破和技术创新，为无人飞行器编队在线协同航迹规划的工程应用奠定理论基础，具有广阔的军事和经济价值。