面向任务需求的模块化无人机配置方法

doi:10.7527/S1000-6893.2022.27100

电子电气工程与控制

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面向任务需求的模块化无人机配置方法

肖和业¹, 杨建峰², 白俊强¹(), 张旭东³, 吴利荣³

^1.西北工业大学无人系统技术研究院，西安 710072
^2.中国人民解放军 95889部队，酒泉 735018
^3.中国人民解放军 96236部队，北京 100085

收稿日期:2022-03-04 修回日期:2022-03-16 接受日期:2022-06-23 出版日期:2023-04-15 发布日期:2022-07-08
通讯作者: 白俊强 E-mail:Junqiang@nwpu.edu.cn
基金资助:
国家级项目

Modular UAVs configuration method responded to task requirements

Heye XIAO¹, Jianfeng YANG², Junqiang BAI¹(), Xudong ZHANG³, Lirong WU³

^1.Unmanned System Research Institute，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China
^2.95889 Troop of PLA，Jiuquan 735018，China
^3.96236 Troop of PLA，Beijing 100085，China

Received:2022-03-04 Revised:2022-03-16 Accepted:2022-06-23 Online:2023-04-15 Published:2022-07-08
Contact: Junqiang BAI E-mail:Junqiang@nwpu.edu.cn
Supported by:
National Level Project

摘要/Abstract

摘要：

为了实现成本约束下面向任务需求的模块化无人机（UAVs）高效配置，基于无人机需求集和模块备选元素集，构建了任务需求与模块备选元素之间的关联矩阵；以无人机总体成本为约束条件，建立了需求满意度评价模型，引入了改进粒子群算法以获得无人机专用模块的最优配置方案，并通过算例与其他2种优化算法对比，验证了本文优化算法的有效性，进而提出了一种面向模块化无人机的配置方法。以某任务场景为例，在预定成本约束下构建了3型无人机的模块配置方案，并与文献中的单兵无人机参数配置进行对比，验证了配置方案的合理性。结合不同配置方案的成本计算结果表明，提出的模块化无人机配置方法能够实现无人机性能、成本与多种任务用途需求的协同匹配。在此基础之上，开展了模块化无人机多个配置方案单体成本、面向任务运用成本的对比分析，探讨了无人机配置参数对其单机及集群运用成本的影响规律，间接验证了本文算法对无人机单机及集群运用成本控制的支撑作用。

关键词: 无人机配置方法, 模块化无人机, 成本控制, 需求满意度评价, 粒子群算法

Abstract:

A configuration method for constructing modular Unmanned Aerial Vehicles （UAVs） is proposed to meet their mission requirements under cost constraints. Firstly， the set of mission requirements and module alternative elements are constructed. The correlation between mission requirements and module alternative elements is established. A demand satisfaction evaluation algorithm is built by selecting the overall costs of UAVs as the constraint condition. The particle swarm optimization algorithm is introduced to obtain the optimal configuration plan of the special-use UAV modules in the evaluation model. A numerical example is given to illustrate the difference between the proposed algorithm and the genetic algorithms. The results of the proposed method agree with those of the genetic algorithms. Then， a mission scenario is selected as an example， and the disposable UAVs are planned to be used in this mission. The modular configuration plans of three types of UAVs are constructed by the proposed method， restrained by the predetermined cost. The these plans show good agreements with the parameter configuration of disposable UAVs in previous studies. The rationality of the proposed configuration method is verified according to the calculation results of cost of each plan. Therefore， the modular UAVs configuration method can be used to achieve collaborative match of the performance of UAVs with the cost and task requirements of UAVs. Furthermore， single UAV cost and task cost of UAVs with different plans， which are obtained by the proposed configuration methods， are compared. The effects of configuration selections on the cost of single UAVs and swam UAVs are discussed. It is concluded that the proposed configuration algorithm can be used to control the cost of a single UAV and swarm UAVs.

Key words: UAV configuration method, modular UAV, cost control, demand satisfaction evaluation model, particle swarm optimization method

中图分类号:

V221

肖和业, 杨建峰, 白俊强, 张旭东, 吴利荣. 面向任务需求的模块化无人机配置方法[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 327100-327100.

Heye XIAO, Jianfeng YANG, Junqiang BAI, Xudong ZHANG, Lirong WU. Modular UAVs configuration method responded to task requirements[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(7): 327100-327100.

图/表 19

图 1

图 2

图 3

图 4

表 1

表 2

图 5

图 6

表 3

图 7

表 4

无人机任务需求

序号	编号	任务需求
1	$d 1$	航程需求：覆盖敌方火力范围
2	$d 2$	航时需求：支撑无人机完成任务
3	$d 3$	隐蔽性需求：能够避开敌方地面人员视线
4	$d 4$	侦察需求：侦查范围覆盖敌方活动区域
5	$d 5$	攻击需求：具备一定的攻击能力

表 4

表 5

无人机性能要求

序号	编号	无人机性能
1	$H 1$	航程≥1 km
2	$H 2$	航时≥30 min
3	$H 3$	飞行高度≥200 m
4	$H 4$	侦察范围半径≥0.5 km区域
5	$H 5$	探测距离≥1 km
6	$H 6$	杀伤范围≥5 m

表 5

表 6

一次性使用无人机专用模块备选元素

模块名称	模块备选元素	成本/元
动力模块 $M 1$	LY X3120电机 $M 11$	305
	EDF90 mm涵道风扇 $M 12$	420
	HY电子调速器 $M 13$	265
	EP-40A电子调速器 $M 14$	368
	铝合金桨夹 $M 15$	50
	钢制桨夹 $M 16$	35
	碳纤维桨叶 $M 17$	120
	木制桨叶 $M 18$	60
通信与电源模块 $M 2$	镍氢电池 $M 21$	4 000
	6S锂电池 $M 22$	5 000
	分立式电源管理板 $M 23$	1 000
	集成式电源管理板 $M 24$	1 500
	传输距离3 km数据链 $M 25$	20 000
	传输距离5 km数据链 $M 26$	30 000
	传输距离7 km数据链 $M 27$	40 000
	数据链共型天线 $M 28$	900
	数据链柱状天线 $M 29$	150
	单光导引头 $M 210$	10 000
	双光导引头 $M 211$	25 000
	三光导引头 $M 212$	50 000
控制执行模块 $M 3$	碳纤维平尾、垂尾 $M 31$	800
	玻璃钢平尾、垂尾 $M 32$	400
	KST X80舵机 $M 33$	1 400
	GDW DS1906B舵机 $M 34$	600
发射与回收模块 $M 4$	手抛方式 $M 41$
	燃气组件 $M 42$	2 000
	弹射组件 $M 43$	1 000
	撞网回收组件 $M 44$	900
	伞降回收组件 $M 45$	1 200
战斗模块 $M 5$	电子引信 $M 51$	5 000
	机械引信 $M 52$	3 000
	0.5 kg战斗部 $M 53$	1 000
	1 kg战斗部 $M 54$	2 000

表 6

图 8

表 7

图 9

表 8

图 10

图 11

参考文献 29

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

序号	关联度	评判标准	含义
1	强关联关系	7~9	表示2个因素之间相辅相成，缺一不可
2	中等关联关系	4~6	表示2个因素之间具备辅助作用
3	弱关联关系	1~3	表示2个因素之间具备局部的联系
4	无关联关系	0	表示2个因素之间无任何关联

信度值	职称	专业领域	从业年限
0.7~0.9	正高	无人机总体	10
0.4~0.6	副高	无人机分系统	5~10
0.1~0.3	工程师	其他相关领域	低于5

算法	最小适应度	最大适应度迭代次数	第5次迭代的平均适应度	局部收敛次数	适应度函数调用次数
改进粒子群算法	0.027 2	4	0.029 2	0	235
对照遗传算法	0.027 2	9	0.031	3	810
文献中遗传算法	0.027 2	23	≈0.030 3

序号	模块（或部件）名称		成本/万元
合计			10.0
1	通用模块	结构模块	0.5
2	通用模块	飞控模块	2.5
3	专用模块	配置专用模块	7.0

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面向任务需求的模块化无人机配置方法

Modular UAVs configuration method responded to task requirements

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序号	专用模块名称	备选元素	成本/元
1	动力模块	LY X3120电机	305
2		HY电子调速器	265
3		铝合金桨夹	50
4		碳纤维桨叶	120
5	通信与电源模块	6S锂电池	5 000
6		集成式电源管理板	1 500
7		传输距离5 km数据链	30 000
8		数据链共型天线	900
9		双光导引头	25 000
10	控制执行模块	碳纤维平尾、垂尾	800
11	控制执行模块	GDW DS1906B舵机	600
12	发射与回收模块	手抛方式	0
13	发射与回收模块	伞降回收组件	1 200
合计			65 740