基于面向對象Ｐｅｔｒｉ網的無人機協同追蹤系統建模

（南京航空航天大學 自動化學院， 南京 210016）

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摘要：

從離散事件系統角度出發，基于動態角色配置的思想，提出了協同追蹤過程中無人機在搜索、協助者、領導者和空閑四個角色之間切換，動態構建團隊追蹤地面移動目標的協同追蹤策略，采用面向對象Petri網對無人機、移動目標以及協同追蹤策略組成的協同追蹤系統進行建模研究。利用改進的人工勢場法作為無人機的追蹤算法，設計了一種協同追蹤的情景對協同追蹤系統進行了仿真，仿真結果表明了系統建模的可行性。

關鍵詞：面向對象； Petri網； 協同追蹤； 追蹤策略

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A

文章編號：10013695(2009)03097103

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UAV collaborative tracking system modeling based on objectoriented Petri net

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TAN Shenqiang， GONG Huajun， WANG Biao， YANG Zhong

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(College of Automation， Nanjing University of Aeronautics Astronautics， Nanjing 210016， China)

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Abstract:

From discrete event system angle and based on dynamic role assignment， the paper proposed the collaboration tracking strategy that the unmanned aerial vehicle dynamic constructing the ground mobile target’s tracking team during search， coadjutant， leader and idle four roles transition. Modeling the collaboration tracking system which was constructed by the unmanned aerial vehicle， the mobile target as well as the collaboration tracking strategy and studying it used the objectoriented Petri net. Using the improvement artificial potential field method as the unmanned aerial vehicle’s tracking algorithm， designing one kind of collaboration tracking scene simulate the collaboration tracking system. The simulation result indicates the system modeling feasibility.

Key words：objectoriented; Petri net; collaborative tracking; tracking strategy

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0引言

無人機在單機無協同的情況下追蹤地面移動目標時，缺乏必要的信息互換和一個有效的追蹤策略，受到其視野和機動性的限制，很容易讓被追蹤的目標逃脫。而多架無人機采用一定的協同策略追蹤地面的移動目標時，移動目標被控制在監測范圍內的機會將大大增加。

國內目前對多無人機協同搜索、多無人機協同攻擊的研究比較多，而對多無人機協同追蹤地面移動目標的研究還比較少。國外主要采用的協同策略有：a)兩架無人機與一個移動目標保持一定距離，并且兩架無人機保持一個時鐘方向90°角的協同策略追蹤地面目標[1]；b)多架無人機追蹤多個地面移動目標，提出了滿足代價方程的算法，該算法考慮了飛機的協同、目標的發現概率以及在敵對環境的生存率，通過對代價方程的優化，產生無人機的協同最優路徑[2]等。這些方法強調的是協同追蹤過程的具體實現，是從連續系統角度出發的。文獻[3，4]介紹了Petri網對單個無人機行為狀態的建模情況。本文將從離散事件系統角度出發研究多無人機的協同追蹤問題，將協同追蹤過程看成是由無人機和移動目標許多狀態組成，并分析這些狀態和轉換條件。

目前對離散事件系統(DES)理論建模常用的方法有有限狀態機(FSM)、極大代數方法和排隊論等。但這些方法對系統的動態過程只作了統計運算，不能用于實際的動態調度和控制研究，也導致了其應用上的局限性。

鑒于協同追蹤系統具有并發性、分布式和非確定性等特點，將采用Petri網對其進行建模。但是，當用傳統的Petri網對協同追蹤系統進行建模時，將出現狀態空間的“爆炸”問題。本文將Petri網與面向對象兩種技術結合起來，即面向對象的Petri網建模方法──OOPN（objectoriented Petri nets），從“層”的層次上用抽象類的OOPN方法來簡化本文的協同追蹤系統。

1協同追蹤系統的描述[5]

11系統中無人機和移動目標的描述

系統中的每個無人機和移動目標都是智能的，統稱為智能體，它們具有感知、規劃、移動及各個智能體之間有通信協商等能力（移動目標暫時不考慮通信能力）。每個智能體都具有三種不同的感知區域，如圖1所示。最里面的設置為移動智能體之間避碰的區域；中間的為視覺感知范圍；最外側為無人機對外的通信范圍。每個無人機能夠通過觀察和與其他無人機的協商，規劃自己的移動方向。系統中假設：

a）移動目標也能根據感知得到的信息規劃自己的行為，其根據其視野范圍內追蹤無人機的位置和運動方向，規劃自己的逃離方向，選擇是否繼續前進還是調整移動方向以躲避無人機團隊的追蹤。

b）每個智能體知道自己的位置。

c）無人機可以在其通信范圍內互相通信和共享信息，即通信范圍中的無人機彼此知道其位置信息以及目標的位置等。

c）無人機某一時刻只能參加一個小組，即跟蹤某個移動目標。

12角色與動態角色

在執行合作任務時，由于無人機本身狀態、環境信息及其與其他智能體的相對位置，每個無人機處于一定的狀態，承擔不同的功能，稱之為角色。系統中設置了四種角色，即搜索、領導者、協助者和空閑。系統運行中每個無人機都對應并執行一個角色。為了更有效地適應未知環境并提高個體性能在整個團體中的作用，提高團隊的效益，本文的策略是讓無人機所對應的角色可以根據情況重新設置和交換，即角色是動態變換的，如圖2所示。

a）動態搜索角色：在追蹤開始時，所有無人機設為搜索角色，它們在環境中隨機移動尋找目標。

b）動態領導者角色。將t時刻第一個監測到新移動目標的無人機設置為角色領導者，并對新目標進行組隊追蹤。領導者探測到移動目標的位置，通知在其通信范圍內的所有無人機作為協作成員進行追蹤。對每個移動目標的追蹤只設置一個領導者。

c）動態協助者角色。將在領導者通信范圍內的無人機設為協助者角色。追蹤過程中若有新移動目標進入協助者的視覺范圍內，則將協助者角色設置為領導者，以獲取跟蹤數目的最大化效果。

d）動態空閑角色。當追蹤任務開始前和結束后，將參與該任務的所有無人機設置為空閑角色。

13基于動態角色的追蹤策略

a）系統初始化。假設無人機的數目為M，移動目標數為N。所有目標標志為i，初始值i=0。

b）將無人機空閑狀態置為搜索狀態，移動目標靜止狀態置為移動狀態，搜索狀態的某個無人機發現新的移動目標時，給該目標做記號i，i=i+1，將對離其最近的新目標作為一個執行任務Ti；該無人機的角色由搜索角色變為領導者角色。

c）領導者跟蹤目標移動，并以廣播的方式向通信范圍中所有無人機宣告目標的位置。

d）收到消息的無人機根據自己當前位置及目標的位置，決策參加哪個圍捕小組（假如同時有多個領導者發布消息），并將其決定反饋給領導者。

e）領導者宣告任務后開始收集其通信范圍內所有無人機的反饋信息，將應召無人機設置為協助者角色，組成團隊，團隊中所有成員共享信息。

f）領導者將探測得到的移動目標位置通知所有成員。

g）團隊中成員根據目標的位置規劃自己的行動，執行追蹤任務。

h）系統運Δt行時間后，判斷追蹤任務是否繼續。如果是，則轉下一步；否則轉步驟l)。

i）判斷目標是否在領導者的感知范圍內，如果是則轉下一步；否則，將領導者、協助者角色置為搜索角色，轉步驟b）。

j）判斷協助者角色、搜索角色是否發現新目標，是則將其置為領導者角色，轉步驟c）。

k）否則，繼續執行當前任務，轉步驟f）。

l）將所有無人機置為空閑角色，移動目標置為靜止狀態。

2協同追蹤系統的建模

下面利用面向對象Petri網對協同追蹤系統進行建模，面向對象Petri網的定義參見文獻[6~8]。

21協同決策層

本文把無人機基于動態角色的追蹤策略（即1.3節所述）看成協同決策層，當做一個對象，其作用是控制無人機與移動目標各個角色之間的切換，完成協同追蹤任務。圖3中，I11為搜索角色分配后信息輸入庫所；I12為協助者角色分配后信息輸入庫所；I13為領導者角色分配后信息輸入庫所；I14為移動目標移動狀態信息輸入庫所；O11為輸出置領導者角色信息庫所；O12為輸出置搜索角色信息庫所；O13為輸出置空閑角色信息庫所；O14為輸出置協助者角色信息庫所；O15為輸出置移動目標停止信息庫所；SP11為等待由領導者分配角色狀態；SP12為等待組隊狀態；SP13為組隊狀態；SP14為組隊追蹤狀態；T11為無人機發現目標；T12為角色分配后，置協助者角色；T13為領導者和協助者開始組隊；T14為領導者單獨組隊，無協助者；T15為開始追蹤；T16為協助者發現新目標；T17為移動目標丟失；T18為停止追蹤任務。

22無人機模塊

無人機在完成任務時，需要在搜索、協助者、領導者和空閑四個角色之間切換（圖2），由協同決策層控制切換。圖4中，I21為置搜索角色信息輸入庫所；I22為置領導者角色信息輸入庫所；I23為置協助者角色信息輸入庫所；I24為置空閑角色信息輸入庫所；O21為搜索角色被置完成后輸出庫所；O22為領導者角色被置完成后輸出庫所；O23為協助者角色被置完成后輸出庫所；SP21為搜索角色；SP22為領導者角色；SP23為協助者角色；SP24為空閑角色；T21為該無人機在另外一個無人機通信范圍內，從搜索角色置協助者角色；T22為協助者狀態的無人機丟失目標，從協助者角色置搜索角色；T23為某無人機發現目標，從搜索角色置領導者角色；T24為無人機丟失目標，從領導者角色置搜索角色；T25為協助者發現目標，從協助者角色置領導者角色；T26為停止追蹤任務，從協助者角色置空閑角色；T27為停止追蹤任務，從領導者角色置空閑角色；T28為任務開始，從空閑角色置搜索角色；T29為停止追蹤任務，從搜索角色置空閑角色。

23移動目標模塊

移動目標主要是在地面不停地移動，只有當任務開始前或結束后才轉為靜止狀態。如圖5所示，I31為置移動目標靜止信息庫所；O31為輸出移動目標被置移動狀態信息庫所；SP31為移動狀態；SP32為靜止狀態；T31為任務結束從移動狀態置停止狀態；T32為從靜止狀態置移動狀態。

24協同追蹤系統模型

在得到了各個子對象系統模型后，就可以構造整個系統的模型了。協同追蹤系統模型如圖6所示。Gi（i=1，2，…，9）表示對象Petri網中不同對象之間信息傳遞的事件，Iij（i=1，2，3；j=1，2，3，4）和Oij（i=1，2，3；j=1，2，3，4，5）的含義與圖3~5中含義相同。圖6中：G1為協同決策層向無人機傳送置領導者角色消息；G2為協同決策層向無人機傳送置搜索角色消息；G3為協同決策層向無人機傳送置空閑角色消息；G4為協同決策層向無人機傳送置協助者角色消息；G5為協同決策層向移動目標傳送置靜止消息；G6為無人機向協同決策層傳送搜索角色分配好消息；G7為無人機向協同決策層傳送領導者角色分配好消息；G8為無人機向協同決策層傳送協助者角色分配好消息；G9為移動目標向協同決策層傳送移動狀態分配好的消息。

3仿真

為了驗證系統模型的正確性，本文以兩架無人機追蹤地面一個移動目標為例，采用了離散事件系統仿真策略中的事件調度法，對所建立的協同追蹤系統模型進行了仿真。仿真中無人機所用的追蹤算法為改進的人工勢場法[9]。

由于篇幅所限，下面設計一種無人機追蹤地面移動目標的情況，體現無人機的協同性能，即兩架無人機某一架發現目標，置領導者角色且單獨組隊追蹤，而另一架繼續搜索目標，某時刻搜索狀態的那架無人機也發現了這個目標，然后兩架無人機重新分配角色共同組隊追蹤目標，如圖7所示。仿真中，無人機和移動目標起始位置分別為無人機1（x=0，y=0）、無人機2（x=6 333，y=1 767）以及移動目標（x=600，y=0），圖中各曲線是無人機和移動目標的運動軌跡。從仿真圖可以看出，圖7很好地體現了單架無人機單獨組隊追蹤移動目標一段時間后，另一架無人機也發現了這個移動目標，然后兩架無人機重新組隊追蹤移動目標的情況。

4結束語

面向對象Petri網是應用面向對象思想對Petri網所作的擴展，具有描述復雜系統的能力。本文利用面向對象Petri網對協同追蹤系統進行建模研究，很好地描述了無人機內部各個狀態的轉換，以及協同策略在追蹤過程中的應用。模型不僅層次清晰，而且可以將系統的靜態結構和動態過程用統一的形式進行描述，具有可重用性。通過簡單的二追一仿真可以證明面向對象Petri網對協同追蹤系統建模的可行性。

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