基于改进人工势场的地面无人平台路径规划方法及系统

技术领域

本发明涉及陆战场作战行动路径规划技术领域，特别是涉及一种基于改进人工势场的地面无人平台路径规划方法及系统。

背景技术

地面无人平台典型作战由于区域阻隔、通视性差、威胁源多导致精确认知理解局域战场态势和高效作战行动规划存在困难。地面无人平台作战中有效地规划路径是破坏敌方作战体系，从而战胜敌人最简单、省力的方法，然而我方无人作战平台如何有效避开敌目标威胁源，以最小的代价快速抵达敌方关键部位实施打击行动，成为一大难题。

目前，国内外研究人员提出了诸多基于人工势场的态势分析和作战单元路径规划方法，为战场态势评估和作战行动规划提供了有效支撑。然而，现有方法在军事应用领域主要集中于空军和海军，陆军应用相对较少；同时，仅能解决作战单元面对“同质”障碍物时如何到达目标点的路径规划问题，未能解决面对“异构”威胁源时袭击敌方关键目标的行动规划问题。地面无人平台实施行动时，如何规避敌方带有不同威胁能力的多个威胁源，以最小代价实现成功打击敌作战体系关键节点或环节的目的，仍是未能解决的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于改进人工势场的地面无人平台路径规划方法及系统，用以实现规避敌方带有不同威胁能力的多个威胁源，以最小代价实现成功打击敌作战体系关键节点或环节。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于改进人工势场的地面无人平台路径规划方法，包括：

根据模拟地面战场中的战场态势信息构建敌我双方威胁源势场；所述敌我双方威胁源势场包括：雷达探测威胁源势场、装甲车辆威胁源势场、无人机威胁源势场、武器装备威胁源势场和通讯威胁源势场；

基于改进人工势场模型将多个所述敌我双方威胁源势场叠加，生成复合势场；

计算我方无人突击作战平台在所述复合势场中所受的合力；

基于所述合力规划我方行动路径；

根据我方无人突击作战平台的不同威胁能力优化所述行动路径。

可选地，所述雷达探测威胁源势场的表达式如下：

其中，U

可选地，所述装甲车辆威胁源势场的表达式如下：

其中，U

可选地，所述无人机威胁源势场的表达式如下：

其中，U

可选地，所述武器装备威胁源势场的表达式如下：

其中，U

可选地，所述通讯威胁源势场的表达式如下：

其中，U'

可选地，基于改进人工势场模型将多个所述敌我双方威胁源势场叠加，生成复合势场，具体包括：

在敌我双方对抗过程中，将敌我双方的作战单元虚拟成电势场中的电荷，带电量表示为敌我双方作战单元的威胁能力；

敌我双方作战单元分别产生各自的势场，敌我双方势场作用范围的重叠部分生成复合势场；敌我双方作战单元之间产生斥力势场，我方作战单元与我方进攻目标之间产生引力势场。

可选地，通过公式

可选地，根据我方无人突击作战平台的不同威胁能力优化所述行动路径，具体包括：

根据我方作战平台不同威胁能力判断行动能否成功实施；若能则行动路径规划结束，否则增加我方兵力并更新我方势场，优化行动路径。

本发明还提供了一种基于改进人工势场的地面无人平台路径规划系统，包括：

敌我双方威胁源势场构建模块，用于根据模拟地面战场中的战场态势信息构建敌我双方威胁源势场；所述敌我双方威胁源势场包括：雷达探测威胁源势场、装甲车辆威胁源势场、无人机威胁源势场、武器装备威胁源势场和通讯威胁源势场；

复合势场生成模块，用于基于改进人工势场模型将多个所述敌我双方威胁源势场叠加，生成复合势场；

合力计算模块，用于计算我方无人突击作战平台在所述复合势场中所受的合力；

行动路径规划模块，用于基于所述合力规划我方行动路径；

行动路径优化模块，用于根据我方无人突击作战平台的不同威胁能力优化所述行动路径。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明在传统人工势场法的基础上引入作战平台的威胁能力构建威胁源势场，多个威胁源势场叠加生成复合势场，基于我方地面突击无人平台在复合势场中所受合力生成最优行动路径，从而解决了面对“异构”威胁源时袭击敌方关键目标的行动规划问题，能够规避敌方带有不同威胁能力的多个威胁源，以最小代价实现成功打击敌作战体系关键节点或环节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于改进人工势场的地面无人平台路径规划方法的流程图；

图2为本发明提供的基于改进人工势场的地面无人平台路径规划方法的框架图；

图3为雷达探测威胁源势场示意图；

图4为装甲车辆威胁源势场示意图；

图5为无人机威胁源势场示意图；

图6为武器装备威胁源势场示意图；

图7为通讯威胁源势场示意图；

图8为人工势场模型示意图；

图9为想定示意图；

图10为敌我双方作战平台位置分布示意图；

图11为行动路径规划示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于改进人工势场的地面无人平台路径规划方法及系统，用以实现规避敌方带有不同威胁能力的多个威胁源，以最小代价实现成功打击敌作战体系关键节点或环节。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-图2所示，本发明提供的基于改进人工势场的地面无人平台路径规划方法，包括以下步骤：

步骤101：根据模拟地面战场中的战场态势信息构建敌我双方威胁源势场；所述敌我双方威胁源势场包括：雷达探测威胁源势场、装甲车辆威胁源势场、无人机威胁源势场、武器装备威胁源势场和通讯威胁源势场。

地面无人平台典型作战场景中，主要考虑雷达探测威胁、装甲车辆威胁、无人机威胁、武器装备威胁和通讯威胁等，分别构造敌我双方单个威胁源势场。

(1)雷达探测威胁源

雷达作为地面战场中的主要探测设备，其探测威胁与其对目标的探测概率成正比，而探测概率与雷达接收信号的信噪比成正比，雷达方程如下所示:

式中：R1

只考虑雷达本身性能和空间位置的关系，则雷达探测威胁和目标与雷达的距离相关，由此定义雷达探测威胁源势场，如图3所示：

式中：(x,y)为模拟地面战场空间某位置坐标；(x

(2)装甲车辆威胁源

装甲车辆的威胁考虑本身固有效能和距离的影响，采用高斯函数定义装甲车辆威胁源势场，如图4所示：

式中：(x,y)为模拟地面战场空间某位置坐标；(x

m＝E×T

E是装甲车辆的作战效能，是其机动能力、防护能力、通讯能力的综合体现；T

(3)无人机威胁源

无人机的威胁与距离相关，当目标与无人机之间的距离在最佳攻击距离时，威胁度最大，大于或小于最佳攻击距离时，威胁减弱；距离为0或大于无人机最大攻击距离时，威胁为0。如图5所示采用抛物线模型构建无人机威胁源势场，表达式如下：

式中：

(4)武器装备威胁源

武器装备的威胁主要与破坏能力、毁伤概率和距离相关，距离越近，威胁越大，距离增加，威胁减小，超出最大射程，威胁为0。因此定义武器装备威胁源势场，如图6所示：

式中：

(5)通讯威胁源

通讯威胁源主要考虑各平台之间通讯的作用对单平台的威胁势场进行修正。假设平台A的威胁势为U

式中：t

步骤102：基于改进人工势场模型将多个所述敌我双方威胁源势场叠加，生成复合势场。

物理学中真空中的一个点电荷的周围会形成一个电势场，对于电势场中某一点的电势U，其计算公式为：

式中：Q是产生电势场的点电荷的带电量，r是真空中某点到该点的距离，其他为常数。电势场中某点的电势与产生电场的电荷的带电量成正比，与该点到电荷的距离成反比。

点电荷产生电势场与其他电荷产生的电势场发生相互作用，形成可以叠加的复合电势场，即这个复合场由各个点电荷在该空间内单独产生的电势场叠加而成。复合电势场中某点的复合电势为：

改进人工势场是指借鉴电势场的基本原理，将战场中敌我双方具有不同威胁能力的无人作战平台虚拟成电势场中的带有不同电量的异种电荷，多个“异种电荷”之间相互作用形成的一个人工构造的辅助指挥员进行战场态势评估并进行作战行动规划的虚拟势场模型。它的基本思想是将地面无人平台作战环境设计成一个抽象的引力场，我方(红方)进攻目标对我方作战平台产生“引力”，敌方(蓝方)作战平台对我方作战平台产生“斥力”，我方作战平台在“引力”和“斥力”的共同作用下绕开敌方作战平台，对目标发动进攻。

红蓝对抗过程中作战单元的威胁能力会随着作战行动的进行而衰减，其生成的势场也随之发生相应变化，本发明将地面无人平台行动中威胁能力的衰减简化为威胁势场随作战单元行驶距离的增加而衰弱，人工势场的衰减计算公式为：

式中：U

红蓝双方对抗过程中，将红蓝双方的作战单元虚拟成电势场中的电荷，其带电量表示为双方作战单元的威胁能力。红蓝双方作战单元分别产生各自的势场，双方势场作用范围的重叠部分生成复合势场，红蓝双方作战单元之间产生斥力势场，红方作战单元与红方进攻目标之间产生引力势场，如图8所示。红蓝对抗过程中复合势场某点电势的计算公式为：

式中：Q

步骤103：计算我方无人突击作战平台在所述复合势场中所受的合力。

假设红方进攻目标的位置为x

式中：U

蓝方作战单元的位置为x

式中：U

当红方作战单元所处战场有n个蓝方作战单元时，红方作战单元所受合力为：

步骤104：基于所述合力规划我方行动路径。

在VMS作战仿真系统中设计某型地面突击无人平台红蓝对抗想定，在12km×12km作战区域内，设定我方(红方)对敌方(蓝方)指挥部实施行动，敌方(蓝方)布置不同威胁能力的多个威胁源对指挥部进行保护，我方地面突击无人平台分队避开敌目标威胁源，对敌方指挥部实施打击，想定示意如图9所示。

仿真模拟中主要考虑敌方探测威胁源、侦察威胁源和火力威胁源等18个威胁源，敌我双方各个作战平台在区域战场中的位置分布如图10所示。基于各平台的威胁源类型、装载的探测雷达、携带的武器装备和平台之间的通讯等构建单个平台威胁源势场，分别获得单个平台的威胁能力，各平台的具体位置坐标和威胁能力见表1。

表1敌我双方作战平台位置坐标与威胁能力

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本实例在仿真模拟中分别取引力增益系数ε＝3，斥力增益系数η＝100。由于我方地面突击无人平台深入敌方内部对敌方指挥部实施“行动，而敌方作战平台在原地进行防御行动，因此只考虑我方作战平台在行动过程中的威胁势场衰减，设定我方作战平台威胁能力衰减系数k＝0.9。基于合力F(x

步骤105：根据我方无人突击作战平台的不同威胁能力优化所述行动路径。

根据我方作战平台不同威胁能力判断行动能否成功实施，若能则行动路径规划结束，否则增加我方兵力并更新我方势场，由此生成新的行动路径规划。

当我方派遣的无人突击平台分队的威胁能力q

实施例二

为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供了一种基于改进人工势场的地面无人平台路径规划系统。

该系统包括：

敌我双方威胁源势场构建模块，用于根据模拟地面战场中的战场态势信息构建敌我双方威胁源势场；所述敌我双方威胁源势场包括：雷达探测威胁源势场、装甲车辆威胁源势场、无人机威胁源势场、武器装备威胁源势场和通讯威胁源势场；

复合势场生成模块，用于基于改进人工势场模型将多个所述敌我双方威胁源势场叠加，生成复合势场；

合力计算模块，用于计算我方无人突击作战平台在所述复合势场中所受的合力；

行动路径规划模块，用于基于所述合力规划我方行动路径；

行动路径优化模块，用于根据我方无人突击作战平台的不同威胁能力优化所述行动路径

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。