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非完全信息下人机合作对抗博弈专题

障碍环境下基于生物捕食逃逸行为的多运动体边界防御博弈方法

Multi-agent border defense differential game based on biological predation and escape behavior in an obstacle environment

仝秉达, 段海滨, 夏洁, 刘小峰
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2213-2224
摘要 基于微分对策的追逃博弈和疆土防御问题是多智能体对抗博弈控制的关键问题之一.本文研究了含障碍物的有界区域中多运动体边界防御博弈方法.首先通过对自然界中生物的捕食逃逸行为进行分析,对多运动体边界防御博弈系统进行了建模,得到不同情况下博弈终止条件和价值函数.其次,本文对含障碍环境下博弈双方的主导区域和界栅面进行了分析,并与无障碍情况进行了对比.最后,数值仿真验证了本文提出的多运动体边界防御方法满足微分对策中的鞍点策略条件和有效性.
关键词 捕食逃逸; 协同控制; 边界防御; 微分对策; 鞍点策略; predation and escape; cooperative control; border defense; differential games; saddle point strategy;

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面向特殊应用场景的无人机智能决策与控制专刊

基于干扰区间观测器的无人机预设性能着舰飞行控制

Disturbance interval observer-based carrier landing control of unmanned aerial vehicles using prescribed performance

胡伟, 雍可南, 陈谋
中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1711-1726
摘要 无人机在现代战争中已发挥重要作用,为夺取海域制空权,航母配备无人机是必然趋势.面向无人机着舰的高精度控制要求,本文针对存在建模误差与外部干扰的无人机,在动态面控制框架下提出一种基于干扰区间观测器的无人机预设性能着舰飞行控制策略.该策略能够对未知项提供区间估计,在前馈补偿未知项的同时,控制律将根据区间估计的宽度动态调节控制器增益,从而保证无人机的轨迹始终处在着舰轨迹约束范围内.同时,在干扰区间观测器与飞行控制律设计过程中,引入非线性增益,有效地处理了着舰机动中的状态非线性耦合.最后,基于Lyapunov函数方法与不变集理论,给出着舰飞行控制策略的参数设计条件,数值仿真也进一步表明该策略的有效性.
关键词 无人机; 着舰控制; 预设性能控制; 干扰观测器; 区间观测器; unmanned aerial vehicle; carrier landing control; prescribed performance-based control; disturbance observer; interval observer;

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面向特殊应用场景的无人机智能决策与控制专刊

面向宽域飞行的组合动力空天飞行器切换控制

Switching control of combined power aerospace vehicles for wide-area flight

程怡新, 许斌, 洪锐
中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1687-1710
摘要 针对组合动力空天飞行器宽域爬升过程存在的模态转换、气动参数未知以及外界时变干扰等问题,研究了一种基于飞行包线模态划分的切换控制方案.对飞行器六自由度模型和发动机推力模型进行气动和推力特性分析,给出了模态划分结果和模态转换过渡过程.基于切换信号设计建立了空天飞行器切换系统,设计终端滑模软切换控制策略来保证模态的平稳转换,并利用神经网络和非线性扰动观测器协同处理系统不确定性和外界时变干扰.通过多Lyapunov函数方法对闭环切换系统的稳定性进行了分析,且仿真结果验证了所提方法的有效性.
关键词 空天飞行器; 组合动力; 模态转换; 切换控制; 鲁棒自适应控制; aerospace vehicle; combined power; modal transition; switching control; robust adaptive control;

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面向特殊应用场景的无人机智能决策与控制专刊

基于动态目标概率分布的核电站无人机航路强化学习规划

Path reinforcement learning planning of nuclear power plant UAVs based on dynamic target probability distribution

周同乐, 陈谋
中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1642-1655
摘要 针对核电站空中动态入侵目标,本文提出了一种基于动态目标概率分布的无人机航路强化学习规划算法,实现了对空中入侵目标的有效拦截.根据入侵目标的状态信息基于概率扩散原理计算目标的概率分布,推理目标可能出现的位置.在此基础上,设计了基于航路点转移规则的行动空间和基于目标概率分布的报酬函数动态更新机制,通过Q-学习不断优化路径,构建了基于目标概率分布和强化学习的无人机航路规划框架,实现了无人机航路强化学习规划.仿真结果表明,该方法能够针对核电站空中入侵目标,实现目标点变化情况下无人机的自主航路规划.
关键词 无人机; 核电站; 航路规划; 动态目标概率分布; 强化学习; UAV; nuclear power plant; path planning; dynamic target probability distribution; reinforcement learning;

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面向特殊应用场景的无人机智能决策与控制专刊

面向复杂未知多障碍环境的多无人机分布式在线轨迹规划

Multi-UAV decentralized online trajectory planning in complex unknown obstacle-rich environments

张学伟, 田栢苓, 鲁瀚辰, 谌宏鸣, 宗群
中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1627-1641
摘要 考虑复杂未知多障碍环境对无人机实时轨迹规划性能的影响,提出了基于Tube-MPC和模型预测路径积分(model predictive path integral, MPPI)控制相结合的多无人机分布式实时轨迹规划框架与方法.首先,考虑无人机在多障碍环境下的避碰避障需求,构造代价函数表征轨迹规划过程中的约束条件,将多无人机的轨迹规划问题转化为随机最优控制问题.其次,借鉴Tube-MPC思想,设计并实现了多无人机分布式轨迹规划框架,通过将低频标称控制器与高频辅助控制器串联保证了系统的实时性和鲁棒性.再次,为避免传统方法在求解过程中的维数灾难,提出基于MPPI的多无人机异步轨迹规划方法,该方法通过基于GPU的并行蒙特卡洛(Monte-Carlo)随机前向采样技术,将多无人机随机最优控制问题的求解转化为给定代价函数下对采样轨迹期望的求解,进而获得最优控制序列,其显著特点是求解速度快且避免了基于梯度求解方法对约束条件和代价函数连续性及凸特性的要求.最后,通过Gazebo虚拟仿真平台,在复杂未知多障碍环境下对算法的有效性进行了验证.
关键词 未知多障碍环境; 多无人机; 在线轨迹规划; 模型预测路径积分; GPU并行加速; unknown obstacle-rich environment; multi-UAV; online trajectory planning; model predictive path integral; GPU parallel acceleration;

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基于合作竞争公共物品博弈的无人机集群动态资源分配

Dynamic resource allocation of UAV swarms based on cooperative and competitive public goods game

王浩淼, 段海滨, 魏晨
中国科学: 信息科学, 2022, 52(9): 1598-1609
摘要 无人机集群动态资源分配是其任务规划的挑战性关键技术难题.本文提出了一种基于合作竞争机制的动态资源分配方法,将无人机集群与网络进化博弈模型进行对应,建立了基于无人机拓扑网络的博弈模型,通过设计针对特殊个体的调控规则,达到提升系统平均收益的目的.最后,通过无人机博弈模型的仿真实验,根据网络结构、模型参数,以及不同激发机制下系统的稳态结果,验证了本文所提无人机动态资源分配方法的可行性和有效性.
关键词 无人机集群; 公共物品博弈; 动态资源分配; 合作机制; 竞争机制; UAV swarm; public goods game; dynamic resource allocation; cooperative mechanism; competition mechanism;

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推力矢量极性错误下的飞行控制自主重构技术

Autonomous reconfiguration of flight control under thrust vector polarity errors

潘豪, 胡瑞光, 宋征宇, 邵梦晗
中国科学: 信息科学, 2022, 52(5): 870-889
摘要 飞行故障在线自主辨识与控制重构是实现航天智能飞行的一个重要标志.本文针对运载火箭飞行中的推力矢量极性错误,研究了基于人工神经网络的故障识别与自主重构方法.在明确故障模式基础上,结合扩张状态观测器(extended state observer, ESO)观测结果,提出了考虑模型偏差的仿真训练样本设计方法,并分别采用基于反向传播(back propagation, BP)神经网络和长短时记忆(long short term memory, LSTM)网络方法进行了故障辨识设计,仿真结果表明,两种方法均具有较高识别准确度,均可实现推力矢量极性错误下的平稳自主重构,相比而言,基于滑窗时间序列的LSTM网络方法更具优势,具有较高的识别准确度.
关键词 极性错误; 自主重构; 扩张状态观测器; 反向传播; 长短时记忆; polarity errors; autonomous reconstruction; extended state observer(ESO); back propagation(BP); long short term memory(LSTM);

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角速度受限下航天器姿态机动事件触发控制

Event-triggered attitude maneuver control of spacecraft under angular velocity constraints

石永霞, 胡庆雷, 邵小东
中国科学: 信息科学, 2022, 52(3): 506-520
摘要 针对角速度受限和通信资源有限的航天器姿态系统,考虑转动惯量难以精确获得并且存在外部干扰的情况,提出一种基于神经网络的自适应事件触发姿态机动控制算法.该算法首先基于预设性能技术,将角速度受限约束转换为性能边界约束,进一步通过误差转换,建立姿态系统的等效误差模型,将存在角速度约束的航天器姿态系统机动控制问题巧妙地转化为无约束误差系统的状态有界稳定控制问题;然后,选用径向基神经网络设计自适应律,在线逼近系统中由未知转动惯量带来的不确定性项.与此同时,考虑到星载通信资源有限的问题,通过建立触发控制信号与实时控制信号之间的显式关系,设计一个统一的时变事件触发机制,当触发条件满足时同步更新控制器和自适应律,大大减少了控制器和执行器之间频繁的网络信号传输.此外,触发机制中时变项的引入严格保证了触发控制无Zeno现象发生.最后,仿真结果表明了所提出的姿态控制算法不但能够保证航天器高精度、高稳定度、高鲁棒性地完成指定姿态机动任务,而且可以减少大约97.50%的控制信号更新,这大大缓解了航天器的通信负担.
关键词 航天器; 角速度受限; 预设性能控制; 通信资源有限; 事件触发机制; spacecraft; angular velocity constraint; prescribed performance control; limited communication resources; event-triggered mechanism;

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串联抑振轨迹规划方法及在FAST馈源支撑系统中的应用

A cascade vibration-free trajectory planning method and its application in the FAST feed support system

景奉水, 郑榕樟, 杨国栋, 邓赛, 谭民
中国科学: 信息科学, 2021, 51(11): 1914-1930
摘要 针对低阻尼柔性机构运动中的振动问题,本文提出了一种综合最优双S形轨迹规划法和输入整形法优点的串联抑振轨迹规划方法,其优势是可以有效抑制匀速运动时段的振动.论文从理论分析和数字仿真两个方面对该方法的正确性进行了证明.最后,对该方法在FAST馈源支撑系统的应用结果进行分析,表明其可有效提高并联柔索机构的运动精度,特别在匀速运动时可提高位置跟踪精度超过20%.
关键词 柔性机构; 五百米口径球面射电望远镜; 振动抑制; 轨迹跟踪; 运动规划; soft mechanism; five-hundred-meter aperture spherical telescope; vibration control; trajectory tracking; motion planning;

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长征运载火箭上升段的自主制导方法及其研究进展

Review and progress of the autonomous guidance method for Long March launch vehicle ascent flight

宋征宇, 巩庆海, 王聪, 何勇, 施国兴
中国科学: 信息科学, 2021, 51(10): 1587-1608
摘要 本文综述了运载火箭上升段自主制导方法 (autonomous guidance method, AGM)的发展. AGM是指一类不依赖离线规划的参考轨迹,而是实时规划满足后续飞行复杂过程约束和终端条件的飞行轨迹,从而动态计算当前制导指令的方法.该方法结合了轨迹规划和传统制导方法的优点,具有在线、动态、全局和滚动的特点.分析了不同运动体在制导控制上面临的主要挑战,提出了长征运载火箭上升段自主制导方法的两大技术体系.一是针对确定目标轨道的制导方法,也称迭代制导(iterative guidance mode, IGM);介绍了迭代制导的基本理论、基础型及增强型算法,及其在型号中应用的飞行结果.二是目标轨道与飞行轨迹的联合优化方法,主要应对推力下降的典型故障;介绍了基于目标函数触发(state triggered indices, STI)的在线优化方法,以及以STI和IGM为基础进行自主任务重构的算法.论文还提出了未来的研究方向,包括多级分层优化,以及基于自主制导方法的新型闭环控制系统架构,以进一步增强上升段飞行的自主性和故障适应性.
关键词 迭代制导; 自主制导; 在线规划; 自主任务重构; 多级分层优化; iterative guidance mode(IGM); autonomous guidance method(AGM); online planning; autonomous mission reconstruction; multiple graded optimization(MGO);

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基于高维多目标优化的多无人机协同航迹规划

Multi-UAV coordinated path planning based on many-objective optimization

蔡星娟, 胡钊鸣, 张志霞, 王茜, 崔志华, 张文生
中国科学: 信息科学, 2021, 51(6): 985-996
摘要 随着无人机应用领域的增多,多无人机协同航迹规划问题变得愈发重要.然而,现存的多无人机协同航迹规划问题大多将多个目标加权转换为单目标问题进行优化,为减少多目标加权的主观性,本文提出一种基于高维多目标优化的多无人机协同航迹规划模型,此模型可以同时优化多无人机航迹距离代价、多无人机航迹威胁代价、多无人机航迹能耗代价,以及多无人机协同性能.同时,为提高高维多目标优化算法在解决此模型时的性能,提出一种基于个体评估交叉策略的NSGA-Ⅲ算法(NSGAⅢ-ICO),可以根据算法运行代数综合评估个体优劣并指导种群交叉操作.仿真结果证明,此模型可以有效地提供多无人机协同航迹,且通过与其他高维多目标优化算法的比较,可以证明此改进算法可以有效地提高多无人机协同航迹规划的多种性能.
关键词 多无人机, 协同航迹规划, 高维多目标优化算法, 个体综合评估

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基于TOA和TDTOA的增广状态脉冲星组合导航误差抑制方法

TOA and TDTOA-based augmented state pulsar integrated navigation error suppression method

宁晓琳, 桂明臻, 黄月清, 房建成, 吴伟仁
中国科学: 信息科学, 2021, 51(6): 971-984
摘要 脉冲星导航是一种极具潜力的深空自主导航技术,通常采用脉冲到达时间(time of arrival,TOA)作为量测信息.但脉冲星星历误差和星载原子钟误差等系统误差对导航性能有显著影响.为了解决上述问题,提出了一种基于TOA和时间差分TOA (TDTOA)的增广状态脉冲星组合导航误差抑制方法,通过将每个脉冲星的星历误差和时钟误差增加到状态向量,并利用TOA和TDTOA量测值对其进行估计和校正.仿真结果表明,该方法提高了脉冲星星历误差和时钟误差的可观测性,有效地消除了这些系统误差的影响,导航精度相比传统脉冲星导航提高了29%.
关键词 自主导航, 脉冲星导航, 系统误差, 时间差分, 可观测性分析

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基于变权威胁评估的无人机安全飞行区域确定方法

Determining safe flight area of UAVs based on variable weight threat assessment

闫东, 陈谋, 吴庆宪, 袁梦顺
中国科学: 信息科学, 2021, 51(4): 663-677
摘要 针对复杂战场环境下确定无人机安全飞行区域的过程中面对的复杂性和不确定性问题,本文提出了一种基于变权理论和马尔可夫模型的无人机安全飞行区域确定方法.根据无人机相对于威胁区域距离的不同,引入变权理论对威胁指标权值进行调整,完成综合威胁大小计算.然后,利用马尔可夫模型对无人机飞行过程中受到的潜在威胁进行预测.接着,使用模糊评估方法评估无人机飞行区域的威胁等级,并引入云模型构建隶属度函数,以提高评估结果的可靠性.最后,根据威胁阈值确定无人机安全飞行区域.仿真结果表明所研究的无人机安全飞行区域确定方法在复杂战场环境下是有效的.
关键词 无人机; 威胁评估; 安全飞行区域; 变权理论; 马尔可夫模型; UAV; threat assessment; flight safety envelope; variable weight theory; Markov model;