一种基于人工鱼群算法的多UUV协同探测阵型优化方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115828725A(43)申请公布日2023.03.21(21)申请号202211282901.5(22)申请日2022.10.19(71)申请人西北工业大学地址710072陕西省西安市友谊西路申请人西北工业大学深圳研究院(72)发明人刘禄党沛东张立川潘光于洋张硕(74)专利代理机构西安凯多思知识产权代理事务所(普通合伙)61290专利代理师王鲜凯(51)Int.Cl.G06F30/27(2020.01)G06N3/006(2023.01)权利要求书3页说明书11页附图4页(54)发明名称一种基于人工鱼群算法的多UUV协同探测阵型优化方法(57)摘要本发明涉及一种基于人工鱼群算法的多UUV协同探测阵型优化方法,建立一字型多UUV封控阵型，从舷侧声呐模型出发，通过改变相邻UUV之间的间距以及每个UUV的航向角，减小相邻UUV覆盖面积的交叠以及各UUV的探测盲区；通过建立二元感知模型，判断目标是否可以被探测；通过建立UUV阵型优化准则，提出封控阵型连续度与阵型覆盖面积加权奖赏机制，得到优化目标函数；最后，使用人工鱼群算法对目标函数进行参数优化，得到奖赏最大时的UUV间距以及航向角。本发明可快速获得探测效果更好的编队阵型，避免了计算复杂多元非线性函数极值的问题。本发明所用的人工鱼群优化算法与其他算法相比，具有实现简单、收敛速度快以及不易陷入局部最优等优点。CN115828725ACN115828725A权利要求书1/3页1.一种基于人工鱼群算法的多UUV协同探测阵型优化方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将被动声呐安装于多个UUV船舷两侧，以多个UUV构建面向协同探测的一字型多UUV封控阵型；步骤2、建立多UUV协同探测二元感知概率模型：二元感知模型指当探测区域内某一目标t(xt，yt)被UUV集群中的任何一个节点si＝{xi，yi，θi}探测到的二元感知概率模型：若P(si，t)＝1，则目标t(xt，yt)被UUV节点si＝{xi，yi，θi}探测到；否则，不能被探测到；其中：S＝{s1，s2，...，sn}为所有的UUV构成的集合，每个UUV包含3个参数si＝{xi，yi，θi}，i＝1，2，...，n，其中(xi，yi)表示si的位置，θi表示si的航向角，海域内任一目标表示为t(xt，yt)；表示UUV上搭载舷侧声呐的开角，r表示UUV上搭载舷阵声呐的探测半径；步骤3：设定UUV阵型优化准则，封控阵型连续度与阵型覆盖面积加权奖赏机制，得到优化目标函数：Reward＝f(d，θ)＝η1×Reward1+η2×Reward2其中：一字型阵型连续度奖赏函数一字型阵型面积覆盖率奖赏函数权重η1和η2分别为一字型阵型连续度奖赏函数Reward1和一字型阵型面积覆盖率奖赏函数Reward2的权重；步骤4：采用人工鱼群智能优化算法对多UUV阵型中的UUV坐标以及航向角进行优化。2.根据权利要求1所述基于人工鱼群算法的多UUV协同探测阵型优化方法，其特征在于：所述多UUV协同探测二元感知概率模型的建立步骤为：步骤2‑1：求任一UUV节点si＝{xi，yi，θi}与目标t(xt，yt)之间的距离：步骤2‑2：当d(si，t)≤r时，判断目标是否处于该UUV搭载的舷侧声呐开角范围内；计算向量步骤2‑3：计算舷侧声呐探测范围(即两个扇形)中轴线对应的向量：步骤2‑4：计算与的夹角：2CN115828725A权利要求书2/3页步骤2‑5：探测概率为P(si，t)：3.根据权利要求1所述基于人工鱼群算法的多UUV协同探测阵型优化方法，其特征在于：所述步骤3的一字型阵型连续度奖赏函数Reward1的建立：以探测的海域为一矩形区域：相邻两个UUV的间距为：当满分为10分，建立以下指数衰减一字型阵型连续度奖赏函数：其中，λ表示约束系数，α表示相邻UUV间距增大导致一字型阵型连续度降低的衰减系数。4.根据权利要求1所述基于人工鱼群算法的多UUV协同探测阵型优化方法，其特征在于：所述步骤3的一字型阵型面积覆盖率奖赏函数Reward2的建立：将目标探测区域离散化为m×n个面积为Δx×Δy的小格子，这些小格子为m×n个目标，根据二元感知概率模型逐个判断每个格子是否被多UUV探测阵型探测到；若有k个格子被探测到，则该UUV阵型对目标海域所探测到的面积为：a＝k×Δx×Δy以所有UUV搭载舷侧声呐的面积之和作为探测面积的极限值A，其表达式为：一字型阵型面积覆盖率奖赏满分为10分，则有奖赏函数Reward2的表达式为：5.根据权利要求1所述基于人工鱼群算法的多UUV协同探测阵型优化方法，其特征在于：所述采用人工鱼群智能优化算法对多UUV阵型中的UUV坐标以及航向角进行优化的步骤为：步骤5‑1、创建多UUV阵