無人機多機協同偵察系統關鍵技術研究

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同偵察系統實現,可以準確地對目標區域進行偵察,獲得目標區域的相關情報信息,使偵察人員可以及時了解目標區域的具體情況,為后續工作提供重要依據,進而保障無人機具有良好的應用水平。

1 無人機多機協同偵察系統的構建

1.1 系統界面。系統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。窗口主要承擔兩方面的作用：一方面,用于承載相應的控件,將其嵌入到窗口。另一方面,用于數據展示,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。通過該窗口可以設置無人機的偵察模式,進而實現相應的偵察功能。以區域監視為例,操作流程如下：首先,需要在偵察模式選項卡中選擇區域監視模式,設置偵察目標的相關參數,如區域范圍、目標特征等,監視范圍通過GPS定位實現,可以準確地確定監視區域。其次,區域監視模式啟動后,各個無人機之間將會相互配合在區域進行偵察,對目標進行尋找。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特征進行對比,進而確定目標的位置。最后,目標位置確定后,可以通過窗口查看目標位置,并且采取相應的措施。

圖1 偵察流程

1.3 偵察流程。無人機多機協同偵察流程可以根據圖1 所示的流程圖來實現。下面將對偵察流程進行分析：首先,需要選擇偵察方案,進行相關參數的設定,為目標偵察做好準備工作,完成目標場景信息的構建。其次,需要實現無人機的偵察功能,在目標區域尋找目標。偵察目標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(SAR)、CCD 相機。只要其中一種偵察方式捕獲到目標,便說明找到目標。例如：當電子偵察檢測與目標的距離不大于200m或SAR 檢測與目標距離不大于50m 或CCD 檢測到與目標距離不大于30m時,視為發現目標。最后,無人機找到目標后,會通過窗口對偵察結果進行顯示,供偵察人員對目標信息進行分析。

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

目標函數：

2 無人機多機協同偵察系統關鍵技術分析

2.1 協同任務分配技術。無人機偵察過程中,往往偵察目標的數量不止一個,這時便需要采取協同任務分配技術,無人機偵察任務進行有效地分配,保障多機協同偵察方式能夠順利實現。通常情況下,偵察目標的分布具有不確定性,再加上無人機的數量有限,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,需要注意任務分配的協調性,讓各個無人機能夠密切配合,使執行偵察功能的無人機能夠形成一個整體。

無人機協同運動模型如下：

無人機多級協同偵察過程可以通過受限模型實現。受限模型如下：

其中,無人機協同運動模型可以作為目標函數,受限模型可以作為約束條件,這樣便可以對協同任務進行有效地分配,避免各個無人機的任務發生沖突。

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

決策類別狀態：

ωi， i =1，...， c

決策采取概率：

通過對決策概率的設定,可以讓無人機執行相應的決策。感知智能決策技術在無人機中的應用主要包含兩個方面：一方面,提高無人機的感知能力,一般通過數字化感知技術來實現,可以有效地對無人機周邊環境進行檢測,對危險環境產生預警,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,并且保證不會發生墜機事件。通過感知智能決策技術可以讓無人機更好地應對突發狀況,使無人機在失去人為控制的情況下仍然能夠繼續工作,從而保障多級協同偵察即使在惡劣的環境下也能夠實現。

2.3 數據處理評估技術。無人機多機協同偵察過程中將會形成大量的偵察數據,而在這些數據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。對數據進行篩選之前,首先需要解決數據的存儲問題,并且將偵察數據準確、全面地進行存儲。偵察數據通常存儲在無人機多機協同偵察系統的專有數據庫中,并且根據偵察數據的類型進行科學地分類,這樣既可以使信息存儲結構更加地規范化和系統化,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。在有效數據篩選方面,需要根據檢索類型在數據庫中找到相應的分類,再從分類中進一步進行篩選。當檢索到所需信息后,需要對偵察信息進行評估,判斷信息是否有效,進而提高數據處理的準確性和快速性[3]。偵察數據可以采用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系：

其中,X[t]為節點,用于存儲偵察數據。

2.4 多源信息融合技術。通過多源信息融合技術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,即保證多機協同偵察數據的實時傳輸效果,避免出現時間與空間出現不匹配的問題,從而對目標進行有效識別和精準定位,提高無人機采樣信息的準確性和可靠性。無人機上載有多種傳感設備,如CCD、SAR、多光譜等。以CCD相機為例,分辨率最高可達到38 萬以上,讀出速度可以達到500fps 以上。這樣才能有效地對空間環境進行分析,而傳感設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相機捕獲目標的精度非常重要,一旦超出精度范圍,將會導致圖像時間與空間不匹配,使得無人機偵察到的圖像與當前時刻相差過大,進而導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進行識別,提高目標監測的精度。

2.5 互聯互通交互技術。互聯互通交互技術可以保障無人機之間的偵察數據能夠實時共享,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。無人機多機協同需要通過通信技術來實現,無人機之間需要頻繁地進行數據交互,將環境數據進行實時共享。無人機協同偵察過程如圖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,這樣便實現了偵察信息在無人機之間的互聯互通,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同偵察的信息共享問題。

圖2 無人機協同偵察

2.6 數據快速分發技術。數據快速分發技術主要用于解決無人機多機協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。數據快速分發技術在多機協同偵察中的應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據分發,保障數據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,對偵察環境進行全方位的覆蓋。最短路徑可以采用Floyd-Warshall算法來實現,使一種動態規劃算法。以三點的最短路徑為例,設三點為i、j、k,其中k 為媒介節點,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,需要結合網絡通信技術,在協議層進行偵察數據的分發,以廣播的形式將數據傳遞給各個無人機。這樣網絡中的各個節點便會接受和轉發大量的數據信息,接著,對網絡節點進行合理地分配,進而縮短信息的傳遞時間,將偵察數據進行快速地分發。

綜上所述,多機協同偵察系統被廣泛應用于無人機偵察中,可以有效地提高無人機的覆蓋偵察面積,保障偵察數據具有良好的準確性。無人機多機協同偵察系統涉及到了信息、通信、控制等多方面的技術,在多種技術相互配合下才得以實現,使得無人機多機協同系統的構成極為復雜。因此,為了保障無人技術能夠更好地發展,提高相關技術的研究非常重要。