《UAV Cooperative Decision and Control：Challenges and Practical Approaches》

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《UAV Cooperative Decision and Control：Challenges and Practical Approaches》
无人机协同决策与控制:面临的挑战与实践应用
编者：
Tal Shima
Department of Aerospace Engineering
Technion–Israel Institute of Technology, Haifa

Steven Rasmussen
Control Science Center of Excellence
Miami Valley Aerospace LLC
Wright-Patterson Air Force Base, Ohio
出版社：SIAM
出版时间：2009年

《UAV Cooperative Decision and Control：Challenges and Practical Approaches》

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《UAV Cooperative Decision and Control：Challenges and Practical Approaches》

目录
List of Figures xi
List of Tables xv
Foreword xvii
Preface xix
Acronyms xxi
1 Introduction 1
Steven Rasmussen, Tal Shima, and Phillip Chandler
1.1 Road to Cooperative Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Some History on Unmanned Systems . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Autonomous Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Team Cooperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Classes of Cooperative Controllers . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Cooperation Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.1 Example Mission Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 Attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Challenges 15
Phillip Chandler and Meir Pachter
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 ATaxonomy of Teams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 Team Coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Team Cooperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.3 Team Collaboration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.4 Goal-Seeking Team Action . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.5 Noncooperative Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Conflict of Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4 Distributed Decision and Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . 19
vii
viii Contents
2.5 Complexity in Cooperative Teams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.1 Task Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.2 Uncertainty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.3 Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.4 Partial Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.5 Operator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.6 Adversary Action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.6 Algorithms for Cooperative Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 Single-Task Tours 37
Corey Schumacher and Tal Shima
3.1 Wide-Area Search Munition Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.1 Scenario Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1.2 Required Tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 Capacitated Transshipment Assignment Problem Formulation . . . . . 40
3.2.1 Weight Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.2 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.3 Capabilities and Limitations of CTAP . . . . . . . . . . . 45
3.3 Iterative CTAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3.1 Simulation Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.2 MemoryWeighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.3 Path Elongation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4 Multiple Assignments 53
Tal Shima, Corey Schumacher, and Steven Rasmussen
4.1 Mixed Integer Linear Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1.1 Cost Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.2 Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.2 Tree Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.1 Background on Decision Trees . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2.2 Tree Representation ofWASM Scenario . . . . . . . . . 61
4.2.3 Search Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.3 Genetic Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.1 Brief Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.2 GA Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4 Performance Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4.1 Algorithms Pros and Cons . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Contents ix
5 Simultaneous Multiple Assignments 73
Corey Schumacher and Tal Shima
5.1 Cooperative Moving Target Engagement . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.1 CMTE Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.2 Simultaneous Tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2 Combinatorial Optimization Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.1 Time AvailabilityWindows . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.2 Path Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.3 Optimization via MILP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3.1 Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3.2 Constraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.3.3 Applying MILP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.4 Genetic Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.5 CMTE Simulation Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6 Estimation Algorithms for Improved Cooperation Under Uncertainty 89
Tal Shima and Steven Rasmussen
6.1 Redundant Centralized Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2 Effect of Communication Delays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.3 Communication and Estimation Models . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.4 Efficient Cooperative Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.4.1 Computationally Efficient Information Filter . . . . . . . 93
6.4.2 Communication Efficient Information Filter . . . . . . . 95
6.4.3 Algorithm Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.5 Simulation Study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7 Effectiveness Measures for Operations in Uncertain Environments 103
Brian Kish, Meir Pachter, and David Jacques
7.1 Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.2 Sensor Performance Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.3 Effectiveness Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.4 Optimal Control Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.4.1 Sample Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.5 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.5.1 Numerical Solution Method . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.5.2 Scenario 1 Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
A MultiUAV Simulation 125
Steven Rasmussen
A.1 MultiUAV2 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
x Contents
A.2 Simulated Mission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
A.3 Organization of MultiUAV2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A.3.1 Target and Threats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
A.3.2 Vehicle Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
A.3.3 Mission Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
A.3.4 Intervehicle/Simulation Truth Communications . . . . . . 134
A.3.5 Cooperative Assignment Algorithms . . . . . . . . . . . 136
A.4 Simulation Event Flow Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
A.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
B Path Planning for UAVs 141
Nicola Ceccarelli and Steven Rasmussen
B.1 Path Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
B.2 Path Guidance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
B.2.1 Waypoint Following . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
B.2.2 Cross-Track Following . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
B.2.3 Path Following . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
B.3 Vehicle Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
B.3.1 Nonholonomic Kinematic Constraints . . . . . . . . . . . 147
B.3.2 Flyable Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
B.4 Optimal Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
B.4.1 Minimum-Length Path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
B.4.2 Dubins Algorithm Implementation . . . . . . . . . . . . 149
B.5 Waypoints Path Planning inWind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
B.5.1 Waypoints Path Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
B.5.2 Path Planning inWind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
B.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Index 159


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Ken

好像蠻有意思的書,至少翻閱一下吧!

璀璨星空

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董明

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oygx210

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御锋

非常好的资料

locksheedtiger

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tongwei4811

感谢分享，学习了