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基于深度强化学习的四旋翼航迹跟踪控制方法

系统仿真学报 2024年

作者：伍国华曾家恒王得志郑龙邹伟中南大学交通运输工程学院国防科技大学军事职业教育技术服务中心国防科技大学气象海洋学院中南大学自动化学院中南大学计算机学院

受限于模型方程决定的固定结构，传统四旋翼控制器设计难以有效应对模型参数和环境扰动变化带来的控制误差。本文提出了基于深度强化学习的四旋翼航迹跟踪控制方法，构建了对应的马尔可夫决策模型，并基于PPO框架提出了PPO-SAG(PPO with... 详细信息

受限于模型方程决定的固定结构，传统四旋翼控制器设计难以有效应对模型参数和环境扰动变化带来的控制误差。本文提出了基于深度强化学习的四旋翼航迹跟踪控制方法，构建了对应的马尔可夫决策模型，并基于PPO框架提出了PPO-SAG(PPO with Self Adaptive Guide)算法。PPO-SAG在学习过程中加入自适应机制，利用PID专家知识进行引导和学习，提高了训练的收敛效果和稳定性。根据问题特点，设计了带有距离约束惩罚和熵策略的目标函数，提出扰动误差信息补充结构和航迹特征选择结构，补充控制误差信息、提取未来航迹关键要素，提高了收敛效果。并利用状态动态标准化、优势函数批标准化及奖励缩放策略，更合理地处理三维空间中的状态表征和奖励优势表达。单种航迹与混合航迹实验表明，所提出的PPO-SAG算法在收敛效果和稳定性上均取得了最好的效果，消融实验说明所提出的改进机制和结构均起到正向作用。本文所研究的未知扰动下基于深度强化学习的四旋翼航迹跟踪控制问题，为设计更加鲁棒高效的四旋翼控制器提供了解决方案。

关键词：深度强化学习四旋翼航迹跟踪控制近端策略优化(PPO) 自适应机制注意力机制

基于滚动时域策略的中继卫星多目标动态调度优化方法

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航空学报 2024年

作者：李恒伟罗启章顾轶范才智伍国华中南大学交通运输工程学院

为提高中继卫星系统应对突发状况的能力，本文提出了基于滚动时域策略的中继卫星动态调度方法，将复杂动态调度过程分解为数个静态调度子问题，同时根据中继卫星动态调度需求，设计了多目标优化算法对子问题进行求解。首先构建了以最大... 详细信息

为提高中继卫星系统应对突发状况的能力，本文提出了基于滚动时域策略的中继卫星动态调度方法，将复杂动态调度过程分解为数个静态调度子问题，同时根据中继卫星动态调度需求，设计了多目标优化算法对子问题进行求解。首先构建了以最大任务完成率和最小调度方案调整幅度为优化目标的中继卫星动态调度模型，然后基于动态调度特性提出了动态任务调度方法，该方法采用周期和事件驱动的混合重调度机制，将调度过程分成多个调度区间，在每个区间内利用自适应邻域搜索的多目标进化算法对窗口任务进行调度。为了验证所提出的动态调度模式及算法的有效性，开展了大量仿真实验。实验结果证明了本文所提出方法在解决中继卫星动态调度问题方面的优越性，与前沿的多目标优化方法NSGA-Ⅱ、MDSA-NSGA-Ⅱ和MODJA相比，本文设计的算法能生成更高质量的解。

关键词：中继卫星动态调度滚动时域策略多目标优化自适应邻域结构

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基于仰角视元模型的星地快速覆盖分析方法

航空学报 2024年

作者：顾轶孙秀聪范黎明刘升刚伍国华中南大学交通运输工程学院北京航空航天大学宇航学院北京空间飞行器总体设计部中南大学自动化学院

星地覆盖分析技术对于卫星通信、导航、对地观测等任务具有重要作用。本文面向卫星载荷对地覆盖需求，研究考虑地面仰角约束下的快速覆盖分析方法。首先提出了地面仰角视元模型，在此基础上建立地面仰角视元方程，并推导了该方程解析解... 详细信息

星地覆盖分析技术对于卫星通信、导航、对地观测等任务具有重要作用。本文面向卫星载荷对地覆盖需求，研究考虑地面仰角约束下的快速覆盖分析方法。首先提出了地面仰角视元模型，在此基础上建立地面仰角视元方程，并推导了该方程解析解的表达式。通过将上述结果投影到二维平面上，可以采用轨迹相交法快速求解地面仰角视场对卫星的可见窗口，即卫星满足地面仰角约束的时间范围；进而设计自适应搜索求根法在该区间内快速确定卫星对地面目标的可见窗口。基于地面仰角视元模型的可见窗口计算方法拓宽了视场映射方法计算可见性的适用范围，同时可以保证可见窗口的计算精度和计算效率。通过开展仿真试验，可以发现所提出方法的可见窗口计算误差为0.01s量级，计算效率相比传统数值方法提升了89.7%，这验证了所提出的模型和方法的有效性和高效性。

关键词：星地覆盖分析仰角视元视场映射自适应搜索解析解

面向预警场景的大规模星座协同调度标准建模与求解方法

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航空学报 2024年

作者：李宗凌龙腾赵保军王天宇伍国华中南大学航空科学与工程学院北京理工大学信息与电子学院中国空间技术研究院北京空间飞行器总体设计部

针对大规模星座任务协同调度具有卫星节点数量多、任务需求规模大、资源使用约束条件复杂，对多节点间协同调度的建模和求解要求较高等特点，本文设计了一种“任务预处理—统一化建模—规范优化求解—在轨指令生成”的阶段式统一化建模... 详细信息

针对大规模星座任务协同调度具有卫星节点数量多、任务需求规模大、资源使用约束条件复杂，对多节点间协同调度的建模和求解要求较高等特点，本文设计了一种“任务预处理—统一化建模—规范优化求解—在轨指令生成”的阶段式统一化建模与求解顶层框架，在此顶层框架之下提出了一种基于改进合同网的多节点即时协同调度算法（CSAICNP），利用模糊寻优结合局部搜索策略提高算法的整体寻优能力。通过开展大量仿真实验，与随机搜索算法、贪婪搜索算法、基于冲突度的任务分配算法、最小负载最先分配算法和基于改进合同网协议的分布式卫星资源调度算法进行结果对比和性能分析，每个实验用例都获得了最佳目标函数值，平均提升了42.13%、41.51%、37.93%、37.53%和18.57%。

关键词：大规模星座协同调度统一化建模规范优化求解天基预警改进合同网

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基于深度强化学习的舰船导弹目标分配方法

控制理论与应用 2024年第6期41卷 990-998页

作者：肖友刚金升成毛晓伍国华陆志沣中南大学交通运输工程学院湖南长沙410018 上海机电工程研究所上海201109

针对对抗环境下的海上舰船防空反导导弹目标分配问题,本文提出了一种融合注意力机制的深度强化学习算法.首先,构建了舰船多类型导弹目标分配模型,并结合目标多波次拦截特点将问题建模为马尔可夫决策过程.接着,基于编码器–解码器框架搭... 详细信息

针对对抗环境下的海上舰船防空反导导弹目标分配问题,本文提出了一种融合注意力机制的深度强化学习算法.首先,构建了舰船多类型导弹目标分配模型,并结合目标多波次拦截特点将问题建模为马尔可夫决策过程.接着,基于编码器–解码器框架搭建强化学习策略网络,融合多头注意力机制对目标进行编码,并在解码中结合整体目标和单个目标编码信息实现舰船可靠的导弹目标分配.最后,对导弹目标分配收益、分配时效以及策略网络训练过程进行了仿真实验.实验结果表明,本文方法能生成高收益的导弹目标分配方案,相较于对比算法的大规模决策计算速度提高10%~94%,同时其策略网络能够快速稳定收敛.

关键词：防空反导导弹目标分配武器目标分配深度强化学习

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基于自适应模拟退火的大规模星座测控资源调度算法

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航空学报 2023年第12期44卷 260-281页

作者：伍国华王天宇中南大学交通运输与工程学院长沙410073

随着在轨卫星数量快速增长,使得本就相对匮乏的测控(TT&C)资源更加紧张。面向大规模星座的测控资源调度问题受到多重约束条件的限制,是一个冲突性很强的复杂组合优化问题。为提高卫星测控系统的测控能力和测控任务的完成收益,提出一种... 详细信息

随着在轨卫星数量快速增长,使得本就相对匮乏的测控(TT&C)资源更加紧张。面向大规模星座的测控资源调度问题受到多重约束条件的限制,是一个冲突性很强的复杂组合优化问题。为提高卫星测控系统的测控能力和测控任务的完成收益,提出一种改进的自适应模拟退火算法以解决大规模星座测控资源调度问题。首先分析卫星测控资源调度问题的业务流程,针对卫星测控任务需求和资源使用约束,建立了以最大化任务完成总收益为优化目标的约束满足模型,并且提出一种评估任务选择可用测控弧段冲突度的方法,设计了基于适应度的任务分配算法以生成一个质量较优的初始可行解。然后设计了结合扰动策略和禁忌表的自适应模拟退火算法,即在算法迭代过程中自适应的控制温度和邻域结构选择概率的更新,通过禁忌表的短期记忆机制避免重复搜索,结合扰动策略对解进行一定的扰动,从而跳出局部最优解,增强算法的寻优性能。最后为验证所提出算法的有效性,开展大量的仿真实验,将该算法与模拟退火算法、遗传算法、基于适应度的任务分配算法和最大权重最先分配算法进行对比。实验结果表明:所提算法相比传统算法在任务收益率方面分别提高了10.34%、23.59%、23.20%和46.51%。

关键词：大规模星座测控资源调度冲突度模拟退火算法自适应

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基于自适应模拟退火算法的大规模星座测控资源调度方法

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航空学报 2022年

作者：伍国华王天宇中南大学交通运输与工程学院

随着在轨卫星数量快速增长，使得本就相对匮乏的测控资源更加紧张。面向大规模星座的测控资源调度问题受到多重约束条件的限制，是一个冲突性很强的复杂组合优化问题。为提高卫星测控系统的测控能力和测控任务的完成收益，提出一种改进...

随着在轨卫星数量快速增长，使得本就相对匮乏的测控资源更加紧张。面向大规模星座的测控资源调度问题受到多重约束条件的限制，是一个冲突性很强的复杂组合优化问题。为提高卫星测控系统的测控能力和测控任务的完成收益，提出一种改进的自适应模拟退火算法以解决大规模星座测控资源调度问题。首先分析卫星测控资源调度问题的业务流程，针对卫星测控任务需求和资源使用约束，建立了以最大化任务完成总收益为优化目标的约束满足模型，并且提出一种评估任务选择可用测控弧段冲突度的方法，设计了基于适应度的任务分配算法以生成一个质量较优的初始可行解。然后设计了结合扰动策略和禁忌表的自适应模拟退火算法，即在算法迭代过程中自适应的控制温度和邻域结构选择概率的更新，通过禁忌表的短期记忆机制避免重复搜索，结合扰动策略对解进行一定的扰动，从而跳出局部最优解，增强算法的寻优性能。最后为验证所提出方法的有效性，开展大量的仿真实验，将该算法与模拟退火算法、遗传算法、基于适应度的任务分配算法和最大权重最先分配算法进行对比。实验结果表明，所提出算法在任务收益率方面分别提高了10.34%、23.59%、23.20%和46.51%。

关键词：

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考虑地形起伏的机载SAR测绘航线规划方法

航空学报 2023年第17期44卷 213-229页

作者：肖友刚满香娜伍国华罗启章中南大学交通运输工程学院长沙410073

合成孔径雷达(SAR)能够不受天气、时间影响地获取高分辨率图像,因此,被广泛用于测绘、灾害监测、环境监测、资源侦察等领域。由于SAR是侧视成像,在复杂的地形中雷达波束会被障碍物遮挡,从而形成叠掩和阴影,这样不仅会造成数据的缺失,而... 详细信息

合成孔径雷达(SAR)能够不受天气、时间影响地获取高分辨率图像,因此,被广泛用于测绘、灾害监测、环境监测、资源侦察等领域。由于SAR是侧视成像,在复杂的地形中雷达波束会被障碍物遮挡,从而形成叠掩和阴影,这样不仅会造成数据的缺失,而且会加重后续对数据处理的工作负担。针对以上问题,在进行无人机航线规划时,通常要保证相邻航带的重叠率来减少叠掩和阴影对图像质量的影响。为了在减少重叠率的同时保证高质量的成像,研究了考虑地形起伏的SAR测绘航线规划问题,将旁向重叠度、覆盖率和叠掩阴影率作为评价指标,提出了基于模拟退火算法的机载SAR测绘航线规划方法,并展开仿真实验对提出的方法进行验证。实验结果表明:所提出的方法能够将航带的旁向重叠度均控制在设定值以内,并使覆盖率达到90%以上;航线数量相比以平均高度面为基准设计航线的方法降低了31.21%,测区覆盖率相比完全不考虑地形的航线设计方法提高了84.80%;相比Greedy算法,其几何形变率降低了8.73%,其冗余航线数量减少了100%。

关键词：区域覆盖航线设计无人机测绘机载SAR 地形起伏模拟退火

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基于三阶段优化的大无人机辅助小无人机物流配送方法

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控制理论与应用 2023年

作者：文旭鹏伍国华夏扬坤中南大学交通运输工程学院中南林业科技大学物流与交通学院

无人机包裹配送是近年来获得广泛关注的新配送方式,相比于基于地面车辆的配送方式,多无人机配送具有效率高、时效性强和机动灵活等优势.因此,提出了一种全新的异构多无人机物流配送模式,即单架大无人机辅助多架小无人机的进行包裹配送.... 详细信息

无人机包裹配送是近年来获得广泛关注的新配送方式,相比于基于地面车辆的配送方式,多无人机配送具有效率高、时效性强和机动灵活等优势.因此,提出了一种全新的异构多无人机物流配送模式,即单架大无人机辅助多架小无人机的进行包裹配送.该配送模式的新特点是:大无人机携带多架小无人机到配送区域放飞,多架小无人机分别配送所指派区域的包裹,每架无人机在一次航行中可配送多个包裹,多架小无人机同时进行配送.为了高效的求解这个新配送问题,设计了一种基于分而治之三阶段的迭代优化算法,第一阶段采用聚类方法对客户点聚类并生成初始解,第二阶段提出一种改进的变邻域搜索算法优化大无人机路径,第三阶段使用动态规划方法优化小无人机路径.这三个阶段不断迭代优化直至满足停止准则.为了验证所提出算法的有效性,在大量算例上进行了实验测试,实验结果展示了所提出算法的求解效率明显和目标函数值显著优于其他对比算法.所提出的新的异构多无人机配送模式及其求解方法,为解决现代物流配送的痛点问题提供一种全新方式与决策依据.

关键词：异构多无人机物流配送路径规划分而治之