基于涌现的异构无人集协同搜索方法
1.本发明涉及无人集控制技术领域，具体涉及一种基于涌现的异构无人集协同搜索方法。
背景技术：
2.由于无人集对特定任务区域内的目标进行协同搜索，在理论和工程实践上都有十分重要的意义和价值，因此研究无人集协同搜索机理对于提升无人集的协同搜索效率和有效性有着重要的促进作用。
3.无人集通常是指由无人机、无人车、无人船、无人潜航器或者机器人等一类无人智能单体构成的集系统。无人集在对任务区域进行协同搜索时，通常根据无人集单体的运动参数对任务区域进行栅格划分；而后，针对每个栅格分配一个单体遂行任务，或者将单体类比于粒子或者基因片段，基于粒子或者遗传算法等启发式算法机理，来实现无人集对任务区域的协同搜索，又或者利用基于局部规则涌现的无人集协同搜索方法来实现无人机集对任务区域的协同搜索。
4.然而，传统的基于区域栅格分割并分配集单体单独搜索单个栅格单元的搜索方法中，集单体彼此之间没有协同或者协同性差，相应的搜索效率不高。基于粒子等启发式算法的无人集协同搜索方法，需要利用环境和目标信息进行不断优化迭代寻求最优搜索航迹，时效性差，仅适用于可以预先航迹规划的搜索任务，难以做到快速在线航迹生成。而且，基于粒子等启发式算法的协同搜索方法，随着协同的单体的数量增多，相应的计算量剧增，容易因计算量剧增而失去现实执行的可能性。而基于局部规则涌现的无人集协同搜索方法通过设定集单体间局部规则以及单体和环境间局部规则来达到区域全覆盖，对含有高且密集的障碍物的任务区域搜索能力有限，没有对随机分布目标针对性搜索的机制，无法应对复杂的任务区域的搜索和目标的发现，且现有局部规则涌现的无人集协同搜索方法仅针对单个无人集进行协同搜索的情况，存在一定的局限性。
技术实现要素：
5.为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种基于涌现的异构无人集协同搜索方法。
6.本发明的技术方案如下：
7.提供了一种基于涌现的异构无人集协同搜索方法，包括：
8.将任务区域划分为多个栅格单元，其中，所述栅格单元的面积大于目标尺寸且小于或等于单个集单体的搜索面积；
9.基于概率密度函数和集单体的传感器探测信息，构建栅格单元的目标存在概率及目标存在概率更新机制；
10.基于异构无人集对栅格单元的熟悉程度，分别构建异构无人集对应的所有栅格单元的数字信息素及数字信息素更新机制；
11.根据集单体的运动参数，设定集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用规则；
12.根据栅格单元的目标存在概率，设定集单体与环境间的相互作用规则；
13.根据异构无人集对应的数字信息素，设定集单体与异构无人集间的相互作用规则；
14.根据集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用规则确定当前时刻的集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用，根据集单体与环境间的相互作用规则确定当前时刻的集单体与环境间的相互作用，根据集单体与异构无人集间的相互作用规则确定当前时刻的集单体与异构无人集间的相互作用；
15.根据当前时刻的集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用、集单体与环境间的相互作用以及集单体与异构无人集间的相互作用，计算下一时刻集单体的运动方向和运动速度，并根据得到的运动方向和运动速度控制集单体进行移动搜索。
16.在一些可能的实现方式中，栅格单元的初始目标存在概率为：
[0017][0018]
其中，p表示栅格单元对应的初始目标存在概率，f(
·
)表示目标对应的混合二维高斯概率密度函数的目标存在概率密度函数，s表示和f(
·
)相对应的积分微元面积，d表示栅格单元对应的积分区域。
[0019]
在一些可能的实现方式中，所述栅格单元的目标存在概率更新机制包括：
[0020]
若t时刻集单体在栅格单元中探测到目标，则利用以下公式更新栅格单元的目标存在概率，得到下一时刻栅格单元的目标存在概率；
[0021][0022]
若t时刻集单体在栅格单元中未探测到目标，则利用以下公式更新栅格单元的目标存在概率，得到下一时刻栅格单元的目标存在概率；
[0023][0024]
其中，p(t+1)表示t+1时刻栅格单元的目标存在概率，pd表示集单体的传感器探测概率，p(t)表示t时刻栅格单元的目标存在概率，pf表示虚警率。
[0025]
在一些可能的实现方式中，设定t时刻某一个无人集对应的第ij个栅格单元的数字信息素为sa(l
ij
，t)；
[0026]
所述数字信息素更新机制包括：
[0027]
利用以下公式计算更新t时刻某一个无人集对应的第ij个栅格单元的数字信息素：
[0028]
sa(l
ij
，t)＝(1-ea)[(1-ga)(sa(l
ij
，t-1)+via
ij，t
·
da(l
ij
，t))+ga(l
ij
，t)]
[0029]
其中，ea表示信息素传播系数，ga表示信息素蒸发系数，sa(l
ij
，t-1)表示t-1时刻当前无人集对应的第ij个栅格单元的数字信息素，via
ij，t
表示t时刻当前无人集的集单体经过第ij个栅格单元的次数，da(l
ij
，t)表示t时刻当前无人集的集单体经过第ij个栅格单元时所释放的数字信息素量，ga(l
ij
，t)表示t-1时刻到t时刻内从邻接栅格单元穿
入第ij个栅格单元的数字信息素量。
[0030]
在一些可能的实现方式中，所述集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用规则设定为：
[0031]
当集单体之间的间距x满足0≤x≤l时，集单体之间的相互作用为斥力，且斥力随着间距的减少而增大；
[0032]
当集单体之间的间距x满足l＜x≤2l时，集单体之间的相互作用为引力，且引力随着间距的增大而增大；
[0033]
当集单体之间的间距x满足2l＜x≤3l时，集单体之间的相互作用为引力，且引力随着间距的增大而减小；
[0034]
当集单体之间的间距x满足x＞3l时，集单体之间的相互作用为零；
[0035]
其中，引力的方向为集单体指向其邻近的同一集单体的方向，斥力的方向与引力的方向相反，l表示集单体之间的安全运动距离。
[0036]
在一些可能的实现方式中，集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用的数值利用以下公式确定：
[0037][0038]
其中，|f|表示相互作用的数值，α1表示作用力最大值，β表示作用力随集单体间距变化剧烈程度的比例系数。
[0039]
在一些可能的实现方式中，所述集单体与环境间的相互作用规则设定为：
[0040]
集单体与环境间的相互作用为集单体指向其邻近栅格单元中目标存在概率最大的栅格单元中心的向量。
[0041]
在一些可能的实现方式中，所述集单体与异构无人集间的相互作用规则设定为：
[0042]
集单体与其所属的无人集间的相互作用为集单体指向其所属的无人集对应的数字信息素中最小数字信息素对应的栅格单元中心的向量；
[0043]
集单体与非所属的无人集间的相互作用为当前非所属的无人集对应的数字信息素中最大数字信息素对应的栅格单元中心指向集单体的向量；
[0044]
集单体与异构无人集间的相互作用为集单体与其所属的无人集间的相互作用和集单体与非所属的无人集间的相互作用之和。
[0045]
在一些可能的实现方式中，下一时刻集单体的运动方向和运动速度利用以下公式计算：
[0046][0047]
其中，表示集单体的速度向量，表示集单体与其第一邻近的同一集单体间的相互作用，表示集单体与其第二邻近的同一集单体间的相互作用，表示集单体与其第g个邻近的同一集单体间的相互作用，表示集单体与异构无人集间的相互作用集单体与环境间的相互作用，表示集单体与环境间的相互作用，α
11
表
示对应的权重参数，α
12
表示对应的权重参数，α
1g
表示对应的权重参数，α2表示对应的权重参数，α3表示对应的权重参数。
[0048]
在一些可能的实现方式中，所述方法还包括：
[0049]
判断环境不确定度是否小于预设不确定度阈值；
[0050]
若否，则根据目标存在概率更新机制和数字信息素更新机制更新栅格单元的目标存在概率和数字信息素，根据设定的相互作用规则计算更新相互作用，基于更新后的相互作用计算下一时刻集单体的运动方向和运动速度，并控制集单体继续进行移动搜索；
[0051]
若是，则结束无人集的协同搜索。
[0052]
本发明技术方案的主要优点如下：
[0053]
本发明的基于涌现的异构无人集协同搜索方法能够用于两个以上的异构无人集的协同搜索，通过对划分的栅格单元设计目标存在概率及目标存在概率更新机制、数字信息素及数字信息素更新机制，并设计无人集内单体间的相互作用规则、集单体与环境间的相互作用规则、异构无人集间的相互作用规则来实时规划生成每个无人集中单体的运动轨迹，能够实现异构无人集彼此互补协同搜索，实现对指定任务区域的高效全覆盖搜索，以及对随机分布目标的针对性搜索，能够降低任务区域中无效栅格单元的重复搜索次数，显著提高异构无人集协同目标搜索效率。
附图说明
[0054]
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0055]
图1为本发明一实施例的一种基于涌现的异构无人集协同搜索方法的流程图；
[0056]
图2为本发明一实施例的一种任务区域栅格化布局示意图；
[0057]
图3为本发明一实施例的另一种基于涌现的异构无人集协同搜索方法的流程图。
具体实施方式
[0058]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。
[0059]
以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。
[0060]
参见图1，本发明一实施例提供了一种基于涌现的异构无人集协同搜索方法，该方法包括以下步骤：
[0061]
步骤s1，将任务区域划分为多个栅格单元，其中，栅格单元的面积大于目标尺寸且小于或等于单个集单体的搜索面积；
[0062]
步骤s2，基于概率密度函数和集单体的传感器探测信息，构建栅格单元的目标存在概率及目标存在概率更新机制；
[0063]
步骤s3，基于异构无人集对栅格单元的熟悉程度，分别构建异构无人集对应的所有栅格单元的数字信息素及数字信息素更新机制；
[0064]
步骤s4，根据集单体的运动参数，设定集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用规则；
[0065]
步骤s5，根据栅格单元的目标存在概率，设定集单体与环境间的相互作用规则；
[0066]
步骤s6，根据异构无人集对应的数字信息素，设定集单体与异构无人集间的相互作用规则；
[0067]
步骤s7，根据集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用规则确定当前时刻的集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用，根据集单体与环境间的相互作用规则确定当前时刻的集单体与环境间的相互作用，根据集单体与异构无人集间的相互作用规则确定当前时刻的集单体与异构无人集间的相互作用；
[0068]
步骤s8，根据当前时刻的集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用、集单体与环境间的相互作用以及集单体与异构无人集间的相互作用，计算下一时刻集单体的运动方向和运动速度，并根据得到的运动方向和运动速度控制集单体进行移动搜索。
[0069]
本发明一实施例提供的基于涌现的异构无人集协同搜索方法能够用于两个以上的异构无人集的协同搜索，通过对划分的栅格单元设计目标存在概率及目标存在概率更新机制、数字信息素及数字信息素更新机制，并设计无人集内单体间的相互作用规则、集单体与环境间的相互作用规则、异构无人集间的相互作用规则来实时规划生成每个无人集中单体的运动轨迹，能够实现异构无人集彼此互补协同搜索，实现对指定任务区域的高效全覆盖搜索，以及对随机分布目标的针对性搜索，能够降低任务区域中无效栅格单元的重复搜索次数，显著提高异构无人集协同目标搜索效率。
[0070]
以下对本发明一实施例提供的基于涌现的异构无人集协同搜索方法的步骤及原理进行具体说明：
[0071]
步骤s1，将任务区域划分为多个栅格单元。
[0072]
本发明一实施例中，根据任务区域的具体结构尺寸对任务区域进行栅格化，以将任务区域划分为多个栅格单元；同时，在进行栅格划分时，控制获取的每个栅格单元的面积大于目标尺寸且小于或等于单个集单体的搜索面积，保证目标能够完整存在于某个栅格单元中以及保证单个集单体有能力对单个栅格单元进行完整搜索。
[0073]
参见图2，例如当任务区域为矩形区域时，可以将任务区域划分为包含m
×
n个栅格单元a＝{(i，j)|1≤i≤m，1≤j≤n}。同时可以按照从左到右、从下往上对各个栅格单元进行排序，则栅格单元(i，j)表示第ij个栅格单元，即处于第i行第j列的栅格单元。其中，附图2中，黑区域表示该栅格单元中存在目标。
[0074]
步骤s2，基于概率密度函数和集单体的传感器探测信息，构建栅格单元的目标存在概率及目标存在概率更新机制。
[0075]
本发明一实施例中，利用混合二维高斯概率密度函数对任务区域的目标分布情况进行描述，用于描述目标分布情况的混合二维高斯概率密度函数具体表述为：
[0076]
[0077]
其中，μ1和μ2表示某个先验目标点分布在设定的x方向和y方向上的均值，σ1和σ2表示目标分布在x方向和y方向上的标准差，ρ表示协方差，ρ＝cov(x，y)。其中，任务区域的x方向和y方向可以事先设定。
[0078]
当任务区域包含有k个目标时，则该任务区域的目标存在概率密度函数为：
[0079][0080]
其中，fk(x，y)表示第k个目标对应的混合二维高斯概率密度函数，αk表示第k个目标对应的权重，αk的具体数值可以根据不同目标的重要程度进行设定。
[0081]
基于上述设定，栅格单元对应的初始目标存在概率表示为：
[0082][0083]
其中，p表示栅格单元对应的初始目标存在概率，f(
·
)表示目标对应的混合二维高斯概率密度函数，s表示和f(
·
)相对应的积分微元面积，d表示栅格单元对应的积分区域，积分区域即栅格单元所包含的区域。
[0084]
具体地，以第ij个栅格单元(i，j)为例，其对应的初始目标存在概率可以表示为：
[0085][0086]
其中，p
ij
表示第ij个栅格单元(i，j)对应的初始目标存在概率，dij表示栅格单元(i，j)对应的积分区域。
[0087]
进一步地，本发明一实施例中，栅格单元的目标存在概率更新机制包括：
[0088]
若t时刻集单体在栅格单元中探测到目标，则利用以下公式更新栅格单元的目标存在概率，得到下一时刻栅格单元的目标存在概率；
[0089][0090]
若t时刻集单体在栅格单元中未探测到目标，则利用以下公式更新栅格单元的目标存在概率，得到下一时刻栅格单元的目标存在概率；
[0091][0092]
其中，p(t+1)表示t+1时刻栅格单元的目标存在概率，pd表示集单体的传感器探测概率，p(t)表示t时刻栅格单元的目标存在概率，pf表示虚警率。
[0093]
集单体的传感器探测概率即为栅格单元中存在目标且被集单体的传感器检测到的概率，其数值在[0，1]之间，具体的数值根据集单体的传感器的实际性能确定。虚警率即为栅格单元中不存在目标但集单体的传感器检测到目标的概率，其数值在[0，1]之间，具体数值也根据集单体的传感器的实际性能确定。
[0094]
本发明一实施例中，栅格单元的目标存在概率的数值越大，则表示该栅格单元中存在目标的可能性越大，为此，可以设定一个阈值θ，当栅格单元的目标存在概率大于设定阈值θ时，则认为栅格单元中存在目标。
[0095]
步骤s3，基于异构无人集对栅格单元的熟悉程度，分别构建异构无人集对应的所有栅格单元的数字信息素及数字信息素更新机制。
[0096]
在自然界中，蚂蚁外出觅食会在所经过的路径留有一种物质用于吸引别的蚂蚁前来觅食，这种物质会随着蚂蚁经过的次数及蚂蚁数量而增加，同时也会随着时间的推移挥
发，这种物质被称为信息素。本发明一实施例中，仿照蚂蚁利用信息素引导蚂蚁觅食的原理，设计数字信息素对异构无人集进行吸引和排斥，从而引导异构无人集对任务区域进行低重复率的协同搜索。
[0097]
本发明一实施例中，定义在栅格单元中，具备生物信息素的传播和挥发物理特性，并对邻近栅格单元的集单体具备吸引和排斥能力的标量为数字信息素。该数字信息素具有3个变化过程，包括释放、蒸发和传播，其中释放过程表示数字信息素可定量释放到栅格单元中；蒸发过程表示数字信息素随时间会挥发至最低值；传播过程表示数字信息素会向邻近栅格单元传递。
[0098]
进一步地，基于上述设定，本发明一实施例中，以异构无人集包括由多个无人机组成的空中无人集和由多个无人车组成的地面无人集的两个无人集为例，对如何构建无人集对应的栅格单元的数字信息素以及数字信息素更新机制进行具体说明。
[0099]
设定：ap和bp分别表示空中无人集和地面无人集对应的数字信息素，sa(l
ij
，t)和sb(l
ij
，t)分别表示t时刻空中无人集对应的第ij个栅格单元的数字信息素和t时刻地面无人集对应的第ij个栅格单元的数字信息素。则在上述划分的栅格单元的基础上，ap和bp可以表述为：
[0100][0101][0102]
本发明一实施例中，初始时刻的无人集对应的数字信息素可以根据实际需求自行设置。例如可以设置为0。
[0103]
进一步地，由于数字信息素具有传播和挥发特性，为此，数字信息素的更新可以采用先传播后蒸发的原则进行。
[0104]
基于上述设定，本发明一实施例中，以上述的空中无人集为例，其数字信息素更新机制包括：
[0105]
利用以下公式计算更新t时刻无人集对应的第ij个栅格单元的数字信息素：
[0106]
sa(l
ij
，t)＝(1-ea)[(1-ga)(sa(l
ij
，t-1)+via
ij，t
·
da(l
ij
，t))+ga(l
ij
，t)]
[0107]
其中，ea表示空中无人集对应的信息素传播系数，ga表示空中无人集对应的信息素蒸发系数，sa(l
ij
，t-1)表示t-1时刻空中无人集对应的第ij个栅格单元的数字信息素，via
ij，t
表示t时刻空中无人集的集单体经过第ij个栅格单元的次数，da(l
ij
，t)表示t时刻空中无人集的集单体经过第ij个栅格单元时所释放的数字信息素量，ga(l
ij
，t)表示空中无人集对应的t-1时刻到t时刻内从邻接栅格单元传入第ij个栅格单元的数字信息素量。
[0108]
t-1时刻到t时刻内从邻接栅格单元传入第ij个栅格单元的数字信息素量ga(l
ij
，t)可以利用以下公式计算：
[0109][0110]
其中，l
xy
∈u表示第ij个栅格单元的邻近栅格单元，lin
n(p)
表示第ij个栅格单元的
邻近栅格单元的总数，sa(l
xy
，t-1)表示t-1时刻空中无人集对应的第ij个栅格单元的邻近栅格单元的数字信息素，da(l
xy
，t)表示t时刻空中无人集的集单体经过第ij个栅格单元的邻近栅格单元时所释放的数字信息素量。
[0111]
本发明一实施例中，空中无人集对应的信息素传播系数、信息素蒸发系数、集单体经过栅格单元时所释放的数字信息素量可以根据实际情况自行设定。
[0112]
进一步地，针对上述的地面无人集，其数字信息素更新机制包括：
[0113]
利用以下公式计算更新t时刻无人集对应的第ij个栅格单元的数字信息素：
[0114]
sb(l
ij
，t)＝(1-eb)[(1-gb)(sb(l
ij
，t-1)+vib
ij，t
·
db(l
ij
，t))+gb(l
ij
，t)]
[0115]
其中，eb表示地面无人集对应的信息素传播系数，gb表示地面无人集对应的信息素蒸发系数，sb(l
ij
，t-1)表示t-1时刻地面无人集对应的第ij个栅格单元的数字信息素，vib
ij，t
表示t时刻地面无人集的集单体经过第ij个栅格单元的次数，db(l
ij
，t)表示t时刻地面无人集的集单体经过第ij个栅格单元时所释放的数字信息素量，gb(l
ij
，t)表示地面无人集对应的t-1时刻到t时刻内从邻接栅格单元传入第ij个栅格单元的数字信息素量。
[0116]
t-1时刻到t时刻内从邻接栅格单元传入第ij个栅格单元的数字信息素量gb(l
ij
，t)可以利用以下公式计算：
[0117][0118]
其中，l
xy
∈u表示第ij个栅格单元的邻近栅格单元，lin
n(p)
表示第ij个栅格单元的邻近栅格单元的总数，sb(l
xy，
t＝1)表示t-1时刻地面无人集对应的第ij个栅格单元的邻近栅格单元的数字信息素，db(l
xy
，t)表示t时刻地面无人集的集单体经过第ij个栅格单元的邻近栅格单元时所释放的数字信息素量。
[0119]
本发明一实施例中，地面无人集对应的信息素传播系数、信息素蒸发系数、集单体经过栅格单元时所释放的数字信息素量可以根据实际情况自行设定。
[0120]
本发明一实施例中，为了便于确定不同时刻的不同无人集对各个栅格单元的访问次数，可以针对每个无人集设置一个栅格状态矩阵，用于记录栅格单元被该无人集访问的次数。具体地，以空中无人集为例，其在t时刻对应的栅格状态矩阵可以表述为：
[0121][0122]
其中，via
mn，t
表示t时刻空中无人集的集单体经过第mn个栅格单元的次数。
[0123]
步骤s4，根据集单体的运动参数，设定集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用规则。
[0124]
本发明一实施例中，通过设计集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用，对同属一个无人集的集单体进行吸引和排斥，能够更好地引导无人集对任务区域进行高效、低重复率的协同搜索，同时避免集单体间发生碰撞。
[0125]
具体地，本发明一实施例中，集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用规则设定为：
[0126]
当集单体之间的间距x满足0≤x≤l时，集单体之间的相互作用为斥力，且斥
力随着间距的减少而增大；
[0127]
当集单体之间的间距x满足l＜x≤2l时，集单体之间的相互作用为引力，且引力随着间距的增大而增大；
[0128]
当集单体之间的间距x满足2l＜x≤3l时，集单体之间的相互作用为引力，且引力随着间距的增大而减小；
[0129]
当集单体之间的间距x满足x＞3l时，集单体之间的相互作用为零；
[0130]
其中，引力的方向为集单体指向其邻近的同一集单体的方向，斥力的方向与引力的方向相反，l表示集单体之间的安全运动距离。
[0131]
由于异构无人集的运动空间通常不同，异构无人集的单体间通常不存在碰撞风险。因此，本发明一实施例中，设定的集单体间的相互作用仅存在于同一个无人集的集单体之间，集单体之间的安全运行距离可以根据不同的无人集、集单体的运动速度和环境等因素具体设定，以避免集单体发生碰撞。
[0132]
基于上述设定的集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用规则，本发明一实施例中，集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用的数值可以利用以下公式确定：
[0133][0134]
其中，|f|表示相互作用的数值，α1表示作用力最大值，β表示作用力随集单体间距变化剧烈程度的比例系数。
[0135]
其中，作用力最大值可以根据不同的无人集和集单体的运动速度等因素具体设定，以避免集单体发生碰撞。
[0136]
本发明一实施例中，采用分段式设计集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用强度，能够实现无人集的集单体间相互作用随单体间距的变化而变化，确保无人集中单体间距的稳定，实现单体间避障作用。
[0137]
进一步地，为了保证避障效果，同时避免计算量过多，当无人集中的集单体数量在5个以上时，集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用可以包括：集单体与其第一邻近的同一集单体间的相互作用、集单体与其第二邻近的同一集单体间的相互作用、集单体与其第三邻近的同一集单体间的相互作用以及集单体与其第四邻近的同一集单体间的相互作用。当无人集中的集单体数量少于5个时，集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用包括：集单体与同一无人集中其他所有集单体的相互作用。
[0138]
步骤s5，根据栅格单元的目标存在概率，设定集单体与环境间的相互作用规则。
[0139]
本发明一实施例中，集单体与环境间的相互作用规则设定为：
[0140]
集单体与环境间的相互作用为集单体指向其邻近栅格单元中目标存在概率最大的栅格单元中心的向量。
[0141]
基于上述设定的集单体与环境间的相互作用规则，能够使集单体下一时刻的运动方向趋于其周围目标存在概率最大的邻近栅格单元，进而能够在不断搜索行为涌现过
程中，使得具有较高目标存在概率的栅格单元被多次访问搜索，提高对目标的有针对性搜索。
[0142]
步骤s6，根据异构无人集对应的数字信息素，设定集单体与异构无人集间的相互作用规则。
[0143]
本发明一实施例中，集单体与异构无人集间的相互作用规则设定为：
[0144]
集单体与其所属的无人集间的相互作用为集单体指向其所属的无人集对应的数字信息素中最小数字信息素对应的栅格单元中心的向量；
[0145]
集单体与非所属的无人集间的相互作用为当前非所属的无人集对应的数字信息素中最大数字信息素对应的栅格单元中心指向集单体的向量；
[0146]
集单体与异构无人集间的相互作用为集单体与其所属的无人集间的相互作用和集单体与非所属的无人集间的相互作用之和。
[0147]
具体地，以上述设定的异构无人集包括空中无人集和地面无人集两个为例，对于一个集单体而言，集单体与异构无人集间的相互作用包括集单体与其所属的无人集间的相互作用和集单体与另一个无人集间的相互作用之和。
[0148]
假设：表示集单体与其所属的无人集间的相互作用，表示集单体与另一个无人集间的相互作用，则集单体与异构无人集间的相互作用为：
[0149][0150]
本发明一实施例中，基于上述设定的集单体与异构无人集间的相互作用规则，能够利用所属无人集对应的数字信息素的吸引作用和其他非所属无人集对应的数字信息素的排斥作用来引导集单体的运动，使得集单体可以向自身所属的无人集访问量小且其他无人集访问量少的栅格单元移动，以达到尽可能降低异构集搜索区域的重复程度，提高协同搜索效率的目的。并且，当存在某无人集无法到达的区域时，可以吸引另外的无人集前往该区域进行搜索，达到优势互补，实现区域全覆盖及目标搜索。
[0151]
步骤s7，根据集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用规则确定当前时刻的集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用，根据集单体与环境间的相互作用规则确定当前时刻的集单体与环境间的相互作用，根据集单体与异构无人集间的相互作用规则确定当前时刻的集单体与异构无人集间的相互作用。
[0152]
本发明一实施例中，基于上述具体设定的集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用规则、集单体与环境间的相互作用规则以及集单体与异构无人集间的相互作用规则，根据当前时刻的集单体具体位置、当前时刻的栅格单元的目标存在概率和数字信息素，能够确定当前时刻的集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用、集单体与环境间的相互作用以及集单体与异构无人集间的相互作用。
[0153]
步骤s8，根据当前时刻的集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用、集单体与环境间的相互作用以及集单体与异构无人集间的相互作用，计算下一时刻集单体的运动方向和运动速度，并根据得到的运动方向和运动速度控制集单体进行移动搜索。
[0154]
本发明一实施例中，利用以下公式计算下一时刻集单体的运动方向和运动速度：
[0155][0156]
其中，表示集单体的速度向量，表示集单体与其第一邻近的同一集单体间的相互作用，表示集单体与其第二邻近的同一集单体间的相互作用，表示集单体与其第g个邻近的同一集单体间的相互作用，表示集单体与异构无人集间的相互作用，表示集单体与环境间的相互作用，α
11
表示对应的权重参数，α
12
表示对应的权重参数，α
1g
表示对应的权重参数，α2表示对应的权重参数，α3表示对应的权重参数。
[0157]
本发明一实施例中，权重参数[α
11
，α
12
，
…
，α
1g
，α2，α3]可以根据实际情况进行调整，以实现局部目标搜索和全部任务区域覆盖搜索的均衡以及尽可能避免异构无人集对同一任务区域栅格单元的重复搜索问题，实现多异构无人集高效协同搜索。
[0158]
参见图3，本发明一实施例中，该协同搜索方法还可以包括以下步骤：
[0159]
步骤s9，判断环境不确定度是否小于预设不确定度阈值；
[0160]
若否，则根据目标存在概率更新机制和数字信息素更新机制更新栅格单元的目标存在概率和数字信息素，根据设定的相互作用规则计算更新相互作用，基于更新后的相互作用计算下一时刻集单体的运动方向和运动速度，并控制集单体继续进行移动搜索；
[0161]
若是，则结束无人集的协同搜索。
[0162]
其中，环境不确定度定义如下：
[0163][0164]
其中，en表示环境不确定度，p
ij
表示第ij个栅格单元(i，j)的目标存在概率。
[0165]
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
[0166]
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
技术特征：
1.一种基于涌现的异构无人集协同搜索方法，其特征在于，包括：将任务区域划分为多个栅格单元，其中，所述栅格单元的面积大于目标尺寸且小于或等于单个集单体的搜索面积；基于概率密度函数和集单体的传感器探测信息，构建栅格单元的目标存在概率及目标存在概率更新机制；基于异构无人集对栅格单元的熟悉程度，分别构建异构无人集对应的所有栅格单元的数字信息素及数字信息素更新机制；根据集单体的运动参数，设定集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用规则；根据栅格单元的目标存在概率，设定集单体与环境间的相互作用规则；根据异构无人集对应的数字信息素，设定集单体与异构无人集间的相互作用规则；根据集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用规则确定当前时刻的集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用，根据集单体与环境间的相互作用规则确定当前时刻的集单体与环境间的相互作用，根据集单体与异构无人集间的相互作用规则确定当前时刻的集单体与异构无人集间的相互作用；根据当前时刻的集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用、集单体与环境间的相互作用以及集单体与异构无人集间的相互作用，计算下一时刻集单体的运动方向和运动速度，并根据得到的运动方向和运动速度控制集单体进行移动搜索。2.根据权利要求1所述的基于涌现的异构无人集协同搜索方法，其特征在于，栅格单元的初始目标存在概率为：其中，p表示栅格单元对应的初始目标存在概率，f(
·
)表示目标对应的混合二维高斯概率密度函数的目标存在概率密度函数，s表示和f(
·
)相对应的积分微元面积，d表示栅格单元对应的积分区域。3.根据权利要求2所述的基于涌现的异构无人集协同搜索方法，其特征在于，所述栅格单元的目标存在概率更新机制包括：若t时刻集单体在栅格单元中探测到目标，则利用以下公式更新栅格单元的目标存在概率，得到下一时刻栅格单元的目标存在概率；若t时刻集单体在栅格单元中未探测到目标，则利用以下公式更新栅格单元的目标存在概率，得到下一时刻栅格单元的目标存在概率；其中，p(t+1)表示t+1时刻栅格单元的目标存在概率，p
d
表示集单体的传感器探测概率，p(t)表示t时刻栅格单元的目标存在概率，p
f
表示虚警率。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于涌现的异构无人集协同搜索方法，其特征在于，设定t时刻某一个无人集对应的第ij个栅格单元的数字信息素为s
a
(l
ij
,t)；所述数字信息素更新机制包括：利用以下公式计算更新t时刻某一个无人集对应的第ij个栅格单元的数字信息素：s
a
(l
ij
,t)＝(1-e
a
)[(1-g
a
)(s
a
(l
ij
,t-1)+via
ij,t
·
d
a
(l
ij
,t))+g
a
(l
ij
,t)]其中，e
a
表示信息素传播系数，g
a
表示信息素蒸发系数，s
a
(l
ij
,t-1)表示t-1时刻当前无人集对应的第ij个栅格单元的数字信息素，via
ij,t
表示t时刻当前无人集的集单体经过第ij个栅格单元的次数，d
a
(l
ij
,t)表示t时刻当前无人集的集单体经过第ij个栅格单元时所释放的数字信息素量，g
a
(l
ij
,t)表示t-1时刻到t时刻内从邻接栅格单元穿入第ij个栅格单元的数字信息素量。5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于涌现的异构无人集协同搜索方法，其特征在于，所述集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用规则设定为：当集单体之间的间距x满足0≤x≤l时，集单体之间的相互作用为斥力，且斥力随着间距的减少而增大；当集单体之间的间距x满足l＜x≤2l时，集单体之间的相互作用为引力，且引力随着间距的增大而增大；当集单体之间的间距x满足2l＜x≤3l时，集单体之间的相互作用为引力，且引力随着间距的增大而减小；当集单体之间的间距x满足x＞3l时，集单体之间的相互作用为零；其中，引力的方向为集单体指向其邻近的同一集单体的方向，斥力的方向与引力的方向相反，l表示集单体之间的安全运动距离。6.根据权利要求5所述的基于涌现的异构无人集协同搜索方法，其特征在于，集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用的数值利用以下公式确定：其中，|f|表示相互作用的数值，α1表示作用力最大值，β表示作用力随集单体间距变化剧烈程度的比例系数。7.根据权利要求1-6中任一项所述的基于涌现的异构无人集协同搜索方法，其特征在于，所述集单体与环境间的相互作用规则设定为：集单体与环境间的相互作用为集单体指向其邻近栅格单元中目标存在概率最大的栅格单元中心的向量。8.根据权利要求1-7中任一项所述的基于涌现的异构无人集协同搜索方法，其特征在于，所述集单体与异构无人集间的相互作用规则设定为：集单体与其所属的无人集间的相互作用为集单体指向其所属的无人集对应的数字信息素中最小数字信息素对应的栅格单元中心的向量；
集单体与非所属的无人集间的相互作用为当前非所属的无人集对应的数字信息素中最大数字信息素对应的栅格单元中心指向集单体的向量；集单体与异构无人集间的相互作用为集单体与其所属的无人集间的相互作用和集单体与非所属的无人集间的相互作用之和。9.根据权利要求1-8中任一项所述的基于涌现的异构无人集协同搜索方法，其特征在于，下一时刻集单体的运动方向和运动速度利用以下公式计算：其中，表示集单体的速度向量，表示集单体与其第一邻近的同一集单体间的相互作用，表示集单体与其第二邻近的同一集单体间的相互作用，表示集单体与其第g个邻近的同一集单体间的相互作用，表示集单体与异构无人集间的相互作用，表示集单体与环境间的相互作用，α
11
表示对应的权重参数，α
12
表示对应的权重参数，α
1g
表示对应的权重参数，α2表示对应的权重参数，α3表示对应的权重参数。10.根据权利要求1-9中任一项所述的基于涌现的异构无人集协同搜索方法，其特征在于，所述方法还包括：判断环境不确定度是否小于预设不确定度阈值；若否，则根据目标存在概率更新机制和数字信息素更新机制更新栅格单元的目标存在概率和数字信息素，根据设定的相互作用规则计算更新相互作用，基于更新后的相互作用计算下一时刻集单体的运动方向和运动速度，并控制集单体继续进行移动搜索；若是，则结束无人集的协同搜索。
技术总结
本发明公开了一种基于涌现的异构无人集协同搜索方法，包括：将任务区域划分为多个栅格单元；构建栅格单元的目标存在概率及其更新机制；构建异构无人集对应的所有栅格单元的数字信息素及其更新机制；设定集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用规则；设定集单体与环境间的相互作用规则；设定集单体与异构无人集间的相互作用规则；根据集单体与其邻近的同一集单体间的相互作用、集单体与环境间的相互作用、集单体与异构无人集间的相互作用，计算集单体的运动方向和速度，并控制集单体进行移动搜索。本发明能实现异构无人集彼此互补协同搜索，实现对任务区域的高效全覆盖搜索以及提高异构无人集协同目标搜索效率。协同目标搜索效率。协同目标搜索效率。
