本發(fā)明涉及無人機技術領域，尤其是涉及一種集中式無人機編隊任務分配方法和裝置。
背景技術：
隨著無人機技術的發(fā)展，因無人機天然具有的無人駕駛、低成本、高機動性等優(yōu)點，其應用范圍越來越廣，例如農(nóng)業(yè)植保、工業(yè)監(jiān)測、尤其是在軍事領域。由于其無人駕駛的特性極大的提高了操作人員的生命安全性，得到了各國的高度重視。
目前，單架無人機在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中執(zhí)行任務的局限性越來越明顯，而無人機編隊協(xié)同去執(zhí)行任務可以更加高效的去完成單架無人機無法完成的任務，但是無人機編隊的任務分配是能否可以高效完成任務的關鍵因素之一，無人機編隊的任務分配問題的研究也成為了無人機技術研究的一大趨勢，得到了廣大學者的共識。
技術實現(xiàn)要素：
(一)解決的技術問題
本發(fā)明提供一種集中式無人機編隊任務分配方法和裝置，可以解決現(xiàn)有技術中如何對無人機編隊進行任務分配的技術問題。
(二)技術方案
第一方面，本發(fā)明提供的集中式無人機編隊任務分配方法，包括：
計算無人機編隊中每一架無人機針對目標集合中的每一個目標執(zhí)行行動方案集合中每一種行動方案的效益值；并根據(jù)所述無人機編隊中每一架無人機與所述目標集合中的每一個目標之間的距離以及無人機飛行單位距離的能耗，計算該架無人機對該目標執(zhí)行行動方案的代價；
根據(jù)所述無人機編隊中每一架無人機針對所述目標集合中的每一個目標執(zhí)行所述行動方案集合中的每一種行動方案的效益值以及該架無人機對該目標執(zhí)行行動方案的代價，計算該架無人機針對該目標執(zhí)行該種行動方案的凈效益值；
根據(jù)所述無人機編隊中每一架無人機對所述目標集合中的每一個目標執(zhí)行所述行動方案集合中的每一種行動方案的凈效益值以及預先設置的約束條件，確定每一架無人機分配的目標以及對所分配目標待執(zhí)行的行動方案。
可選的，所述計算無人機編隊中每一架無人機針對目標集合中的每一個目標執(zhí)行行動方案集合中每一種行動方案的效益值，包括：
計算所述無人機編隊中每一架無人機針對所述目標集合中的每一個目標在場景集合中的每一種場景下執(zhí)行所述行動方案集合中每一種行動方案的效用值；
根據(jù)該架無人機針對該目標在所述場景集合中的各種場景下執(zhí)行該種行動方案的效用值，計算該架無人機針對該目標執(zhí)行該種行動方案的效益值。
可選的，采用下式計算第i架無人機對第j個目標執(zhí)行第k種行動方法的效益值：
式中，Ui，j，k為第i架無人機對第j個目標執(zhí)行第k種行動方案的效益值，rk，b為第i架無人機對第j個目標在第b中場景下執(zhí)行第k種行動方案的效用值，b為場景集合中場景的編號，n1為所述場景集合中場景的數(shù)目。
可選的，采用下式計算第i架無人機對第j個目標執(zhí)行任務的代價：
Pi，j＝Si，j*c
式中，Pi，j為第i架無人機對第j個目標執(zhí)行任務的代價，Si，j為第i架無人機與第j個目標之間的距離，c為無人機飛行單位距離的能耗。
可選的，采用下式計算第i架無人機對第i個目標執(zhí)行第k種行動方案的凈效益值：
Yi，j，k＝A*Ui，j，k-B*Pi，j
式中，Yi，j，k為第i架無人機對第j個目標執(zhí)行第k種行動方案的凈效益值，Ui，j，k為第i架無人機對第j個目標執(zhí)行第k種行動方案的效益值，Pi，j為第i架無人機對第j個目標執(zhí)行任務的代價，A和B為權重系數(shù)。
可選的，所述約束條件包括：
式中，Vi，j取0或1；若Vi，j取1，則表示第i架無人機對第j個任務執(zhí)行行動方案；若Vi，j取0，則表示第i架無人機對第j個任務不執(zhí)行任何一種行動方案；n2為無人機編隊中無人機的架數(shù)；n3為目標集合中目標的個數(shù)；Nmax為第i架無人機能夠執(zhí)行行動方案的目標的最多個數(shù)。
可選的，所述確定每一架無人機分配的目標以及對所分配目標待執(zhí)行的行動方案，包括：采用貪婪算法確定每一架無人機分配的目標以及對所分配目標待執(zhí)行的行動方案。
第二方面，本發(fā)明提供的集中式無人機編隊任務分配裝置，包括：
第一計算模塊，用于計算無人機編隊中每一架無人機針對目標集合中的每一個目標執(zhí)行行動方案集合中每一種行動方案的效益值；并根據(jù)所述無人機編隊中每一架無人機與所述目標集合中的每一個目標之間的距離以及無人機飛行單位距離的能耗，計算該架無人機對該目標執(zhí)行行動方案的代價；
第二計算模塊，用于根據(jù)所述無人機編隊中每一架無人機針對所述目標集合中的每一個目標執(zhí)行所述行動方案集合中的每一種行動方案的效益值以及該架無人機對該目標執(zhí)行行動方案的代價，計算該架無人機針對該目標執(zhí)行該種行動方案的凈效益值；
確定模塊，用于根據(jù)所述無人機編隊中每一架無人機對所述目標集合中的每一個目標執(zhí)行所述行動方案集合中的每一種行動方案的凈效益值以及預先設置的約束條件，確定每一架無人機分配的目標以及對所分配目標待執(zhí)行的行動方案。
可選的，所述第一計算模塊具體包括：
效用計算單元，用于計算所述無人機編隊中每一架無人機針對所述目標集合中的每一個目標在場景集合中的每一種場景下執(zhí)行所述行動方案集合中每一種行動方案的效用值；
效益計算單元，用于根據(jù)該架無人機針對該目標在所述場景集合中的各種場景下執(zhí)行該種行動方案的效用值，計算該架無人機針對該目標執(zhí)行該種行動方案的效益值。
可選的，所述確定模塊具體用于：采用貪婪算法確定每一架無人機分配的目標以及對所分配目標待執(zhí)行的行動方案。
(三)有益效果
本發(fā)明提供的集中式無人機編隊任務分配方法和裝置，首先確定每架無人機對每個目標執(zhí)行每個行動方案的效益值，然后計算無人機執(zhí)行任務過程中的代價，最后根據(jù)效益值和代價確定凈效益值，最后根據(jù)凈效益值和約束條件，進行目標分配以及行動方案的確定，從而解決現(xiàn)有技術中如何對無人機編隊進行任務分配的技術問題，使得無人機編隊在執(zhí)行任務過程中可以在深度不確定的情況下進行最優(yōu)的任務分配，使各架無人機高效的協(xié)同作業(yè)。在上述整個過程中即考慮了效益，也考慮了代價，相對于采用單一的效益最高或代價最低的方式，結果更加的可信。
附圖說明
為了更清楚地說明本公開實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本公開的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些圖獲得其他的附圖。
圖1示出了本發(fā)明一實施例中集中式無人機編隊任務分配方法的流程示意圖。
具體實施方式
下面將結合本公開實施例中的附圖，對本公開實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒竟_中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本公開保護的范圍。
第一方面，本發(fā)明提供一種集中式無人機編隊任務分配方法，如圖1所示，該方法包括：
S1、計算無人機編隊中每一架無人機針對目標集合中的每一個目標執(zhí)行行動方案集合中每一種行動方案的效益值；并根據(jù)所述無人機編隊中每一架無人機與所述目標集合中的每一個目標之間的距離以及無人機飛行單位距離的能耗，計算該架無人機對該目標執(zhí)行行動方案的代價；
可理解的是，行動方案集合中包含多種行動方案，例如，攻擊目標、攻擊導彈、滲透、不攻擊等。
可理解的是，無人機對不同的目標執(zhí)行不同的行動方案會產(chǎn)生不同的效果，例如，一架無人機對某一目標執(zhí)行不攻擊和執(zhí)行攻擊導彈產(chǎn)生的效果不同，將不同的效果量化為不同的值，即效益值，因而執(zhí)行不同的行動方案會得到不同的效益值。所謂的代價實際上是無人機到達目標的飛行過程中所消耗的能量。
S2、根據(jù)所述無人機編隊中每一架無人機針對所述目標集合中的每一個目標執(zhí)行所述行動方案集合中的每一種行動方案的效益值以及該架無人機對該目標執(zhí)行行動方案的代價，計算該架無人機針對該目標執(zhí)行該種行動方案的凈效益值；
可理解的是，某一架無人機對某一個目標執(zhí)行一種行動方案的凈效益值為這架無人機對該目標執(zhí)行這一種行動方案的效益值減去這架無人機對該目標執(zhí)行任務過程中付出的代價得到的結果。
S3、根據(jù)所述無人機編隊中每一架無人機對所述目標集合中的每一個目標執(zhí)行所述行動方案集合中的每一種行動方案的凈效益值以及預先設置的約束條件，確定每一架無人機分配的目標以及對所分配目標待執(zhí)行的行動方案。
可理解的是，上述約束條件可以自行設置，例如，根據(jù)各架無人機執(zhí)行任務能力的差異，對每架無人機可執(zhí)行的最大目標數(shù)進行限制；再例如，根據(jù)各架無人機上裝配力量的差異，對每架無人機能夠執(zhí)行的行動方案進行限制等；再例如，假如各架無人機都是同一類型的，執(zhí)行任務的能力相同，裝配力量相同，還可以對任務的分配進行限制，例如，一架無人機可以對多個目標執(zhí)行任務，但是一個目標只能分配給一架無人機來執(zhí)行。
本發(fā)明提供的集中式無人機編隊任務分配方法，首先確定每架無人機對每個目標執(zhí)行每個行動方案的效益值，然后計算無人機執(zhí)行任務過程中的代價，最后根據(jù)效益值和代價確定凈效益值，最后根據(jù)凈效益值和約束條件，進行目標分配以及行動方案的確定，從而解決現(xiàn)有技術中如何對無人機編隊進行任務分配的技術問題，使得無人機編隊在執(zhí)行任務過程中可以在深度不確定的情況下進行最優(yōu)的任務分配，使各架無人機高效的協(xié)同作業(yè)。在上述整個過程中即考慮了效益，也考慮了代價，相對于采用單一的效益最高或代價最低的方式，結果更加的可信。
在具體實施時，S1中，可以采用多種方式計算效益值，其中一種可選的方式為：
S11、計算所述無人機編隊中每一架無人機針對所述目標集合中的每一個目標在場景集合中的每一種場景下執(zhí)行所述行動方案集合中每一種行動方案的效用值；
可理解的是，所謂的場景集合中存在多種場景，所謂的場景即無人機執(zhí)行任務的環(huán)境，例如，假設紅方欲對藍方執(zhí)行任務，影響環(huán)境的關鍵因素包括紅方無人機電子支持系統(tǒng)狀態(tài)、紅方無人機的導彈類型、紅方的雷達狀態(tài)、紅方雷達獲取到的與目標之間的距離、紅方無人機的飛行高度、紅方無人機的毀傷狀態(tài)等，還包括藍方目標的雷達狀態(tài)、藍方目標的導彈類型、藍方目標是否有防空火炮、藍方目標電子干擾系統(tǒng)的狀態(tài)等。這些關鍵因素之間的組合會形成不同的場景。
在具體實施時，上述效用值的計算可以參考現(xiàn)有技術，其中一種可選的計算方法為：
S111、將無人機與目標的各個關鍵因素建立影響圖；
S112、利用模糊集隸屬度函數(shù)，將每個關鍵因素狀態(tài)轉化為概率值，輸入到影響圖中，作為效用計算的預處理；
S113、利用無人機的攜帶的雷達和電子支持系統(tǒng)尋找到目標位置，得到無人機與目標的距離和無人機飛行高度；
S114、利用模糊集隸屬度函數(shù)，將無人機與目標的距離和無人機飛行高度轉化為概率值，作為無人機對于目標執(zhí)行行動方案的效用計算的輸入，得到最后的效用結果。
下面給出部分隸屬度函數(shù)，如無人機與目標的距離的隸屬度函數(shù)為下面三個函數(shù)：
例如，當RG＝5km，通過其隸屬函數(shù)公式，可以得到其隸屬度的值：μA(near)(x)＝0，μA(medium)(x)＝0，A(far)(x)＝0。這些值被認為是變量“RG”后來的對應近、中程、遠的概率值，這些概率作為最終效用計算的輸入。
無人機飛行高度的隸屬度函數(shù)為下面三個函數(shù)：
例如，當RH＝8.5km時，UA(low)(y)＝0，μA(medium)(y)＝0.75，A(high)(y)＝0.25。
其中，每個關鍵因素的狀態(tài)已經(jīng)全部通過模糊集隸屬度函數(shù)轉化為對應的概率值，并且輸入建立的影響圖中，但是無人機與目標的距離和高度這兩個變量對應的概率值沒有事先輸進去，因為這兩個變量是不斷變化的，需要更具它們的取值，作為效用計算的輸入。
S12、根據(jù)該架無人機針對該目標在所述場景集合中的各種場景下執(zhí)行該種行動方案的效用值，計算該架無人機針對該目標執(zhí)行該種行動方案的效益值。
舉例來說，計算出一架無人機對某一個目標在各種場景下執(zhí)行某一種行動方案的效用值，將這些效用值求和后再求平均，即可得到該架無人機對該目標執(zhí)行這一種行動方案的效益值。
這里，首先計算效用值，然后根據(jù)效用值計算效益值，計算過程簡單、易實現(xiàn)。
在具體實施時，S12中可以采用下式計算第i架無人機對第j個目標執(zhí)行第k種行動方法的效益值：
式中，Ui，j，k為第i架無人機對第j個目標執(zhí)行第k種行動方案的效益值，rk，b為第i架無人機對第j個目標在第b中場景下執(zhí)行第k種行動方案的效用值，b為場景集合中場景的編號，n1為所述場景集合中場景的數(shù)目。
在上式(7)中，采用將第i架無人機對第j個目標在各種場景下執(zhí)行第k種行動方案的效用值做算術平均值，將該算術平均值作為效用值，計算簡單、易實現(xiàn)。
在具體實施時，S1中可以采用多種方式計算無人機執(zhí)行任務的代價，例如，可以采用下式計算第i架無人機對第j個目標執(zhí)行任務的代價：
Pi，j＝Si，j*c (8)
式中，Pi，j為第i架無人機對第j個目標執(zhí)行任務的代價，Si，j為第i架無人機與第j個目標之間的距離，c為無人機飛行單位距離的能耗，例如0.5。
這里，上式(8)中無論第i架無人機對第j個目標執(zhí)行任意一種行動方案的代價是相同的，這樣方便計算。當然，為了使計算結果更加精確，還可以將執(zhí)行不同的任務會產(chǎn)生不同的代價，將代價值設置為不同的值。
在具體實施時，S2中凈效益值可以有多種計算方式，例如，一種可選的方式為：采用下式計算第i架無人機對第i個目標執(zhí)行第k種行動方案的凈效益值：
Yi，j，k＝A*Ui，j，k-B*Pi，j (9)
式中，Yi，j，k為第i架無人機對第j個目標執(zhí)行第k種行動方案的凈效益值，Ui，j，k為第i架無人機對第j個目標執(zhí)行第k種行動方案的效益值，Pi，j為第i架無人機對第j個目標執(zhí)行任務的代價，A和B為權重系數(shù)。
在上式(9)中，A和B的大小可以根據(jù)需要設置，例如，A取0.9，B取0.1，當然還可以取其他的值。
在具體實施時，S3中的約束條件可以根據(jù)需要設置，假設各架無人機都是同一類型的，執(zhí)行任務的能力相同，裝配力量相同，約束條件可以為：架無人機可以對多個目標執(zhí)行任務，但是一個目標只能分配給一架無人機來執(zhí)行，該條件用公式來表達的話，見下式(10)：
式中，Vi，j取0或1；若Vi，j取1，則表示第i架無人機對第j個任務執(zhí)行行動方案；若Vi，j取0，則表示第i架無人機對第j個任務不執(zhí)行任何一種行動方案；n2為無人機編隊中無人機的架數(shù)；n3為目標集合中目標的個數(shù)；Nmax為第i架無人機能夠執(zhí)行行動方案的目標的最多個數(shù)。
在具體實施時，S3中確定每一架無人機分配的目標以及對所分配目標待執(zhí)行的行動方案的過程可以采用貪婪算法，當然還可以采用其他的方法確定，對此本發(fā)明不做限定。
在具體實施時，上述能夠實現(xiàn)上述方法的裝置或設備可以設置在地面上作為地面控制平臺進行任務分配，也可以設置在其中一架無人機上，該架無人機作為領隊，對各架無人機進行任務分配。
下面以一實例對本發(fā)明提供的分配方法進行舉例說明：
假設無人機編隊中有三架相同的無人機，這三架無人機需要對由9個目標組成的目標集合執(zhí)行多個任務，這些任務有攻擊目標、攻擊導彈、不攻擊和潛伏這四種。
首先，確定無人機編隊執(zhí)行任務的場景：獲知無人機的導彈類型、無人機的雷達狀態(tài)、目標的導彈類型、目標的雷達狀態(tài)、目標是否有防空火炮這些關鍵因素，將這些關鍵因素組合，可以得到6種可能的場景，進而確定場景集合；假設約束條件為：一架無人機可以對三個目標執(zhí)行任務，但是一個目標只能分配給一架無人機來執(zhí)行。這樣分配任務可以采用一個四元組<E，V，T，C>表示，其中E為場景集合，V為無人機編隊，T為目標集合，C為約束條件集合。
其次，這三架無人機中每一架無人機對每一個目標在上述每一種場景下執(zhí)行每一種行動方案的效用值；針對其中的每一架無人機：計算該架無人機對某一個目標在6種場景下執(zhí)行某種行動方案的效用值之和的平均值，將該平均值作為該架無人機對該某一個目標執(zhí)行該某種行動方案的效益值。同時、之前或者之后，計算該架無人機對該某一個目標執(zhí)行該某種行動方案的代價；然后計算每一架無人機對每一個目標執(zhí)行每一種行動方案的凈效益值，計算結果可參見下表1：
表1凈效益值的數(shù)據(jù)表
最后，采用貪婪算法求解，得到分配結果。
上述貪婪算法的具體過程大致為：尋找上表1中的最大值，可以看出最大值為第2架無人機對第5個目標執(zhí)行攻擊導彈這一方案的凈效益值最大，為68.982，此時由于第2架無人機尚未分配目標和行動方案，這樣便將第5個目標分配給第2架無人機，并且對其執(zhí)行攻擊導彈的行動方案。然后，將第5個目標所在行的數(shù)據(jù)刪除，尋找剩余數(shù)據(jù)中的最大值，可以看出第1架無人機對第8個目標執(zhí)行攻擊目標的凈效益率最大，為68.974，此時第1架無人機尚未分配目標和行動方案，便將第8個目標分配給第一架無人機，并對第8個目標執(zhí)行攻擊目標的方案。然后將第8個目標所在行的數(shù)據(jù)刪除，尋找剩余數(shù)據(jù)中的最大值。依次類推，在每次尋找到最大值時看當前無人機所分配的目標是否達到3個，若沒有，則將最大值所在行對應的目標分配給最大值所在列對應的無人機上，并將目標執(zhí)行對應列上的行動方案。如果當前無人機所分配的目標已經(jīng)達到了3個，則將當前無人機所在列上的所有數(shù)據(jù)刪除，繼續(xù)尋找最大值，直至將9個目標分配完。依照上述方法為每個目標分配無人機，并確定對每個目標執(zhí)行的方案，分配結果如下表2所示：
表2分配結果表
從上表2中可以看出，分配結果滿足所假設的約束條件。
第二方面，本發(fā)明還提供一種集中式無人機編隊任務分配裝置，該裝置包括：
第一計算模塊，用于計算無人機編隊中每一架無人機針對目標集合中的每一個目標執(zhí)行行動方案集合中每一種行動方案的效益值；并根據(jù)所述無人機編隊中每一架無人機與所述目標集合中的每一個目標之間的距離以及無人機飛行單位距離的能耗，計算該架無人機對該目標執(zhí)行行動方案的代價；
第二計算模塊，用于根據(jù)所述無人機編隊中每一架無人機針對所述目標集合中的每一個目標執(zhí)行所述行動方案集合中的每一種行動方案的效益值以及該架無人機對該目標執(zhí)行行動方案的代價，計算該架無人機針對該目標執(zhí)行該種行動方案的凈效益值；
確定模塊，用于根據(jù)所述無人機編隊中每一架無人機對所述目標集合中的每一個目標執(zhí)行所述行動方案集合中的每一種行動方案的凈效益值以及預先設置的約束條件，確定每一架無人機分配的目標以及對所分配目標待執(zhí)行的行動方案。
可選的，所述第一計算模塊具體包括：
效用計算單元，用于計算所述無人機編隊中每一架無人機針對所述目標集合中的每一個目標在場景集合中的每一種場景下執(zhí)行所述行動方案集合中每一種行動方案的效用值；
效益計算單元，用于根據(jù)該架無人機針對該目標在所述場景集合中的各種場景下執(zhí)行該種行動方案的效用值，計算該架無人機針對該目標執(zhí)行該種行動方案的效益值。
可選的，所述確定模塊具體用于：采用貪婪算法確定每一架無人機分配的目標以及對所分配目標待執(zhí)行的行動方案。
可理解的是，第二方面提供的裝置為第一方面提供的方法的功能架構模塊，其有關內(nèi)容的解釋、舉例說明、可選實施方式、有益效果等部分可以參考第一方面中的相應部分，在此不再贅述。
綜上所述：
本發(fā)明提供的集中式無人機編隊任務分配方法和裝置，首先確定每架無人機對每個目標執(zhí)行每個行動方案的效益值，然后計算無人機執(zhí)行任務過程中的代價，最后根據(jù)效益值和代價確定凈效益值，最后根據(jù)凈效益值和約束條件，進行目標分配以及行動方案的確定，從而解決現(xiàn)有技術中如何對無人機編隊進行任務分配的技術問題，使得無人機編隊在執(zhí)行任務過程中可以在深度不確定的情況下進行最優(yōu)的任務分配，使各架無人機高效的協(xié)同作業(yè)。在上述整個過程中即考慮了效益，也考慮了代價，相對于采用單一的效益最高或代價最低的方式，結果更加的可信。
最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的實施例的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明的實施例進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明的實施例各實施例技術方案的范圍。