动态不确定环境下多飞行器协同攻击轨迹规划方法研究

This project will study the key technologies in terms of multiple air vehicles cooperative attack trajectory planning problem: modeling, optimization and application based on optimal control theory, in order to solving the problems of multi-constraint, time-special cooperation, dynamic uncertainty of battlefield environment, robustness during the flight of multiple air vehicles. Firstly, the model of multiple air vehicles cooperative attack trajectory planning will be built, which provides the basis for the study of planning approach. Then, the design approaches of cooperative attack trajectory planning under time-special coupling constraints will be studied, and the generation strategy of cooperative trajectories with satisfying the several constraints efficiently can also be proposed. Thirdly, aiming at the dynamic uncertainty of the complicated battlefield environment, the offline and online approaches of the robust cooperative attack trajectory planning will be proposed respectively, and the cooperative trajectory planning strategies can be designed satisfying the robustness. Lastly, to deal with the highly computational complexity of traditional hierarchical approaches, the integrated approach for the target assignment and trajectory planning will be proposed, and the two-stage indirect solving strategy can be designed. This project is expected to provide theory and algorithms for the development of multi-air-vehicle’s mission planning system. The theoretical and experimental achievements should better support practical and actual combat mission planning. Moreover, this project would also provide a new technical reference for multi-agent or robot planning and control.

针对多飞行器协同攻击过程中的复杂多约束、时空协同要求、环境动态不确定性、计划鲁棒性等难点问题，研究最优控制框架下，多飞行器协同攻击轨迹规划中的建模、优化及应用问题。首先，构建多飞行器协同攻击轨迹规划问题模型，为规划方法研究奠定基础。然后，研究时空耦合条件下的多飞行器协同攻击轨迹规划方法，提出满足复杂多约束、时间协同要求的协同轨迹生成策略；其次，针对战场环境中的动态不确定性因素，分别研究离线和在线条件下多飞行器协同攻击鲁棒性轨迹规划方法，提出满足计划鲁棒性要求的协同轨迹生成策略；最后，为了克服分层递阶求解思想存在的计算复杂度问题，研究协同目标分配和轨迹规划一体化求解方法，提出分阶段间接求解策略。本项目旨在解决动态不确定环境下多飞行器协同轨迹规划过程中的关键理论问题，为任务规划系统的研制提供理论指导和算法支持，推动协同任务规划技术向实用化、实战化发展，并为多智能体、机器人规划提供技术参考。

复杂战场环境下的多机协同攻击轨迹规划技术是增大目标毁伤概率的重要手段，是提高飞行器对地打击的准确性、效率及自动化程度的关键所在。围绕复杂战场环境下的多机协同攻击轨迹规划方法及其试验验证，本项目重点开展了五点研究内容:（1）多飞行器协同攻击轨迹规划问题建模：分析了多飞行器协同攻击过程中的动态性和不确定性，建立了协同轨迹规划的时空协同约束模型，构建了协同轨迹规划问题求解框架。（2）时空耦合约束下的多飞行器协同攻击轨迹规划方法：分析和建立了带可变时间窗空间约束的轨迹规划问题模型，提出了最优控制框架下基于虚拟运动伪装方法的轨迹规划算法，实验验证了算法的有效性与比较优势。（3）考虑不确定性因素的多飞行器协同攻击鲁棒轨迹规划方法：建立了仿真鲁棒多目标优化的轨迹规划问题求解模型，提出了矢量序优化理论和智能优化算法相结合的混合矢量序优化算法，并进行了实验研究与分析。（4）动态不确定性战场环境下，在线鲁棒协同突击轨迹规划方法研究：建立了分布式滚动时域控制的问题求解模型，提出了基于协调变量/协调函数的分布式协同策略，设计了双阶段分布式协同鲁棒轨迹规划算法，并进行了实验研究与分析。（5）多机协同多目标攻击轨迹规划一体化求解方法：考虑目标分配问题，建立了带动力学和时间窗约束的邻域访问多基地多旅行商问题求解模型，设计了包含预处理和问题求解两个阶段的分阶段间接求解策略，针对静态战场环境下多飞行器协同攻击轨迹规划问题进行了应用研究，验证了多飞行器协同攻击轨迹规划一体化求解方法的适用性和有效性。.项目共发表论文19篇，其中SCI检索11篇，EI检索8篇。培养博士生5名、硕士生2名，支撑了《多智能体及时策略对抗方法与实践》专著的编写，支持了4项专利和9项软件著作权。研究成果为有人机、无人机的协同轨迹规划提供了基础理论和算法支撑，在多飞行器预先和在线协同轨迹规划、人机协同任务规划等领域得到了应用与推广，具有重要的理论及实践价值。