面向运动目标搜索的移动传感网分布式协同控制理论与方法

Two scientific issues are concluded and solved in this project based on the network and intelligent property of information processing, and the fusion of modern control theory and information theory. These two scientific issues are: the controllability, observability and robustness of the mobile sensor networks as well as their relationship to the communication topology, and the optimization problems of multiple objectives and constrains for mobile sensor networks searching for moving targets. In order to solve the above issues, the conditions of the complete controllability, the complete observability and the robustness of the mobile sensor networks as well as the relationship to the communication topology are analyzed in the conditions of the incomplete local communication, and a design scheme of the communication topology based on the graph theory is proposed. Then, the robustness impacted by the communication delay is investigated. In addition, the synchronization planning mechanisms of the sensor platform path and the sensor controlling are designed, the cooperative search strategies for mobile sensor networks are designed, and a consensus algorithm is proposed based on the controllable and observable communication topology. Finally, the theory and method in this project are verified by experiments.

本项目突出信息处理网络化和智能化的特点，通过现代控制理论与信息系统理论的有机结合，凝练并解决两个基本且重要的科学问题：移动传感网的可控性、可观性和鲁棒性及其与通信拓扑的关系问题，以及移动传感网协同侦察搜索运动目标的多约束多目标优化问题。针对上述科学问题研究：分析局部不完全通信条件下，移动传感网的完全可控性和完全可观性条件及其与局部通信拓扑之间的关系，给出一种基于图论的可控、可观通信拓扑设计方案，并在此基础上探讨动态通信拓扑网络对通信延迟的鲁棒性问题；基于所构建的可控、可观的局部通信拓扑，设计传感器平台路径和传感器控制的同步规划机制，提出一种高效的联合优化方法，并设计移动传感网协同目标搜索的策略，给出一种面向运动目标搜索问题的一致性算法及其系统控制方法，最终试验验证本项目提出的网络化协同理论与方法。

现代战争呈现典型的网络化、信息化和智能化等特点，作战环境和战场态势在高技术战争的背景下也日趋复杂，依靠单一平台执行任务变得越来越困难。近年来，随着自组织、自管理、自修复功能的移动网络技术的发展和应用，采用多传感器依托多个运动平台构成移动传感网(Mobile Sensor Networks, MSN)，可以确保信息优势和对作战空间的完备态势感知，建立高效、稳定的目标搜索、跟踪以及协作攻击能力，是当前研究的热门课题。.本项目研究了面向运动目标搜索的移动传感网分布式协同控制理论与方法，主要研究内容和创新性研究成果如下：.(1)研究了移动传感网的可控性和可观性条件及其与通信拓扑之间的关系。移动传感网局部通信条件下，基于代数图论和传统控制理论，研究具有M-Sensor/F-Sensor结构的网络化分布式协同控制系统的可控和可观性条件及其与通信拓扑之间的关系，为分布式拓扑结构设计提供了重要依据。在此基础上，探讨动态拓扑网络对通信延迟的鲁棒性问题。.(2)建立了运动目标位置不确定性分布模型，设计了局部通信条件下传感器平台路径与传感器控制同步规划解决方案。对非合作性的运动目标进行建模，给出目标状态预测方案。对局部通信条件下平台路径和传感器控制同步规划机制展开研究，基于最小值优化原理，提出一种高效的联合优化方法，解决单一传感器平台执行侦察搜索任务中面临的关键技术。.(3)研究了局部通信条件下的多机协同搜索策略，提出了面向运动目标搜索问题的多机协同控制方法。在移动传感网全局通信的条件下，融合虚拟力和滚动时域两种方法，研究多无人机协同搜索目标的策略，给出一种全新的VFRH协同搜索方法。深入探讨移动传感网局部通信下的协同策略，设计协同优化函数，提出一种面向运动目标搜索的网络化分布式协同控制方法。.(4)建立了一种编队协同搜索效能评估模型。研究几种典型影响因素(如编队规模、信息共享机制等)对侦察搜索效能的影响，采用适当的权值分配方法，构建了一个合理的协同侦察评估函数，以验证所提出的在局部通信条件下的侦察搜索策略及其协同控制方法的有效性。.随着传感网自主性、计算能力、信息和通信技术的发展，以及无人平台技术的革新，移动传感网的应用空间将越来越广泛，而基于移动传感网的协同目标侦察搜索是网络化作战的关键内容，分布式协同控制的理论和方法也是重要的研究基础。因此本项目研究具有重要的理论和现实意义。