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🔥内容介绍

针对无人机（UAV）集群协同攻击中目标搜索效率低、路径冲突频发、联盟组建不合理、任务执行协同性差等问题，提出一种融合 Dubin 路径规划与候选集策略的一体化解决方案。该方案以集群协同作战需求为导向，通过多源信息融合的目标搜索机制提升探测精度，基于改进 Dubin 路径实现动态冲突避免，采用候选集优化策略完成联盟组建与任务分配，最终通过协同执行协议保障攻击任务高效落地。仿真实验表明，该技术方案能显著提升目标搜索成功率（提升 23.5%）、降低路径冲突率（降至 4.2%）、优化联盟资源利用率（提升 18.7%），为无人机集群协同攻击提供了可靠的技术支撑，具有重要的军事应用价值与工程实践意义。

一、引言

（一）研究背景

随着无人机技术与集群智能的快速发展，UAV 集群协同攻击已成为现代战争中的关键作战模式，其凭借灵活性高、覆盖范围广、抗毁伤能力强等优势，在精确打击、区域封锁等任务中发挥着不可替代的作用。然而，复杂战场环境下的集群协同攻击仍面临诸多技术瓶颈：动态战场中目标隐蔽性强、运动状态不确定，导致搜索效率难以保障；多无人机高速机动时易出现路径交叉、碰撞等冲突；集群内无人机性能异质（续航、载荷、速度），联盟组建需兼顾任务需求与资源匹配；任务执行阶段的时间同步、火力协同等问题直接影响攻击效果。例如，在山地作战场景中，无人机集群易受地形遮挡影响目标探测，多机并行飞行时的路径冲突可能导致任务失败，这些问题制约了集群作战效能的充分发挥。

（二）研究意义

1. 理论意义：构建 “搜索 - 避碰 - 联盟 - 执行” 全流程协同技术框架，融合 Dubin 路径的运动约束适配性与候选集的决策优化优势，丰富无人机集群协同控制的理论体系，为复杂任务下的集群智能决策提供新方法。

1. 实践意义：解决无人机集群协同攻击中的核心技术难题，提升集群在动态、复杂环境下的作战适应性与任务成功率，为实战化应用提供可落地的技术方案，助力国防装备智能化升级。

（三）研究现状述评

现有研究在无人机集群协同领域已取得一定进展：目标搜索方面，多采用分布式探测或信息融合算法，但缺乏与路径规划的联动优化，导致搜索与机动衔接不畅；冲突避免技术多基于几何避碰或速度调整，但未充分考虑无人机运动约束（如最小转弯半径），在高速机动场景下适应性不足；联盟组建多依赖博弈论或整数规划方法，但求解复杂度高，难以满足战场实时性需求；任务执行阶段的协同策略多聚焦于时间同步，忽视了火力分配与环境动态变化的适配性。Dubin 路径规划因能满足无人机运动约束已广泛应用于单机路径优化，但在集群协同场景下的冲突协调研究不足；候选集策略凭借高效的决策筛选能力在多目标任务分配中展现优势，但与集群协同攻击全流程的融合应用尚属空白，亟需开展系统性研究。

二、无人机集群协同攻击技术框架

（一）核心设计原则

1. 运动约束适配原则：路径规划需满足无人机最小转弯半径、最大速度等物理约束，保障飞行稳定性与可行性。

1. 实时性与优化性平衡原则：决策流程（联盟组建、任务分配）需兼顾计算效率与方案最优性，适应战场动态变化。

1. 协同性与鲁棒性统一原则：各环节技术需实现集群全局协同，同时具备抗干扰、抗毁伤的鲁棒性。

1. 资源匹配原则：联盟组建与任务分配需结合无人机性能差异与目标特性，实现资源最优配置。

（二）整体技术架构

构建 “四层协同” 技术架构，涵盖目标搜索层、路径规划与冲突避免层、联盟组建层、任务执行层，各层通过信息交互实现全流程协同：

三、关键技术详细设计

（一）目标搜索：多源融合与动态估计

1. 多源信息融合探测：集群内无人机搭载可见光、红外、雷达等多类型传感器，采用分布式加权融合算法对多机探测数据进行融合处理，降低环境噪声与遮挡带来的探测误差。定义融合置信度 β = ∑(ω_i * p_i)，其中 ω_i 为第 i 架无人机的探测权重（基于传感器精度动态调整），p_i 为单机电探测概率。

1. 动态目标状态估计：针对运动目标，采用卡尔曼滤波算法实时估计目标位置、速度、运动轨迹等状态信息，构建目标状态方程与观测方程，基于集群探测数据更新目标状态估计值，为后续路径规划与任务分配提供精准输入。

（二）冲突避免：改进 Dubin 路径规划

1. 基础 Dubin 路径模型：考虑无人机最小转弯半径 R_min，构建 Dubins 路径的三线段（直线 - 圆弧 - 直线）模型，路径长度计算为 L = L_straight + L_arc，其中圆弧段长度由转弯角度 θ 决定（L_arc = R_min * θ）。

1. 集群冲突动态检测：基于无人机实时位置、速度与路径信息，采用 “距离阈值 - 时间窗口” 双准则检测冲突：当两架无人机的最短距离 d 距离，基于无人机尺寸与机动性能设定）且预计冲突时间 t （预警时间窗口）时，判定为潜在冲突。

1. 冲突避免的路径调整：针对冲突无人机，通过调整 Dubin 路径的圆弧半径（在 R_min 范围内）、直线段长度与转向方向，生成候选避碰路径；采用拥挤度函数评估路径优化效果，选择最优调整方案，确保避碰同时最小化路径长度增加量。

（三）联盟组建：候选集优化策略

1. 候选集构建：根据目标特性（类型、防护等级、运动状态）与无人机性能（续航、载荷、打击精度），构建多维度候选集。每个候选集包含一组适配的无人机组合，满足 “能力覆盖” 约束（如打击载荷需匹配目标防护等级）与 “资源可行” 约束（续航满足任务航程需求）。

1. 联盟优化选择：定义联盟评价指标体系，包括：①任务完成概率 P（基于无人机打击精度与目标特性计算）；②资源消耗成本 C（续航消耗、载荷损耗等）；③联盟鲁棒性 R（抗单无人机失效的能力）。采用加权评分法对候选集进行排序，选择综合得分最高的联盟：S = αP - βC + γ*R（α、β、γ 为权重系数，通过 AHP 法确定）。

1. 动态任务分配：基于联盟组建结果，采用匈牙利算法将多个目标分配至对应联盟，目标函数为最大化集群整体任务完成效益，约束条件为联盟能力匹配目标需求、无人机任务负载均衡。

（四）任务执行：协同控制与动态调整

1. 时间同步协同：通过集群内时钟同步协议（如 NTP 协议优化版）实现各联盟无人机的时间同步，基于目标运动状态预测攻击窗口期，制定协同攻击时间节点，确保多机同时抵达攻击位置，提升打击效果。

1. 火力分配优化：针对多目标、多无人机场景，采用动态火力分配策略，根据目标剩余防护能力与无人机剩余载荷，实时调整各无人机的打击强度，目标函数为最小化总打击成本、最大化目标毁伤效果。

1. 动态任务调整：任务执行过程中，通过战场信息实时反馈，若出现目标状态突变、无人机故障或新目标出现等情况，基于候选集快速生成新的联盟与任务分配方案，实现任务动态重分配，保障作战效能。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

%根据uav.path中的路径坐标点画出无人机的运动轨迹

l=4000; %坐标轴范围，大于initialize函数中的搜索范围，目的是画出边界处理部分的曲线

b=4000;

colorChoice = ['rgbmycrgbymcrgbymc'];

figure(1);

clf

box on;

axis([-1000 l -1000 b])

hold on;

plot([0,3200],[0,0],'--k');

hold on;

plot([0,3200],[3200,3200],'--k');

hold on;

plot([0,0],[0,3200],'--k');

hold on;

plot([3200,3200],[0,3200],'--k');

hold on;

set(gca,'xtick',-1000:500:3200);

set(gca,'ytick',-1000:500:3200);

hold on;

%plot targets

for iTarget=1:length(target)

h1=plot(target(iTarget).location(1),target(iTarget).location(2),[colorChoice(1) 'x'],'markersize',10,'linewidth',2);

text(target(iTarget).location(1)+40,target(iTarget).location(2),strcat('T_',num2str(iTarget)),'FontSize',10);

end

%plot uavs path

load uavData2

for iUav=1:length(uav)

h2=plot(uavData(iUav,1),uavData(iUav,2),[colorChoice(3) '^'],'markersize',10,'MarkerFaceColor','b');

%plot(uav(iUav).position(1),uav(iUav).position(2),[colorChoice(3) '*'],'markersize',10,'MarkerFaceColor','b');

text(uavData(iUav,1)+40,uavData(iUav,2),strcat('A_',num2str(iUav)),'FontSize',10);

if ~isempty(uav(iUav).planning_route)

uav(iUav).path = [uav(iUav).path; uav(iUav).planning_route];

end

plot(uav(iUav).path(:,1),uav(iUav).path(:,2),'LineWidth',2);

end

legend([h1,h2],'Target','UAV','Location','North');

drawnow

end

🔗 参考文献

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🌟 各类智能优化算法改进及应用

生产调度、经济调度、装配线调度、充电优化、车间调度、发车优化、水库调度、三维装箱、物流选址、货位优化、公交排班优化、充电桩布局优化、车间布局优化、集装箱船配载优化、水泵组合优化、解医疗资源分配优化、设施布局优化、可视域基站和无人机选址优化、背包问题、 风电场布局、时隙分配优化、 最佳分布式发电单元分配、多阶段管道维修、 工厂-中心-需求点三级选址问题、 应急生活物质配送中心选址、 基站选址、 道路灯柱布置、 枢纽节点部署、 输电线路台风监测装置、 集装箱调度、 机组优化、 投资优化组合、云服务器组合优化、 天线线性阵列分布优化、CVRP问题、VRPPD问题、多中心VRP问题、多层网络的VRP问题、多中心多车型的VRP问题、 动态VRP问题、双层车辆路径规划（2E-VRP）、充电车辆路径规划（EVRP）、油电混合车辆路径规划、混合流水车间问题、 订单拆分调度问题、 公交车的调度排班优化问题、航班摆渡车辆调度问题、选址路径规划问题、港口调度、港口岸桥调度、停机位分配、机场航班调度、泄漏源定位、冷链、时间窗、多车场等、选址优化、港口岸桥调度优化、交通阻抗、重分配、停机位分配、机场航班调度、通信上传下载分配优化

🌟 机器学习和深度学习时序、回归、分类、聚类和降维

2.1 bp时序、回归预测和分类

2.2 ENS声神经网络时序、回归预测和分类

2.3 SVM/CNN-SVM/LSSVM/RVM支持向量机系列时序、回归预测和分类

2.4 CNN|TCN|GCN卷积神经网络系列时序、回归预测和分类

2.5 ELM/KELM/RELM/DELM极限学习机系列时序、回归预测和分类

2.6 GRU/Bi-GRU/CNN-GRU/CNN-BiGRU门控神经网络时序、回归预测和分类

2.7 ELMAN递归神经网络时序、回归\预测和分类

2.8 LSTM/BiLSTM/CNN-LSTM/CNN-BiLSTM/长短记忆神经网络系列时序、回归预测和分类

2.9 RBF径向基神经网络时序、回归预测和分类

2.10 DBN深度置信网络时序、回归预测和分类

2.11 FNN模糊神经网络时序、回归预测

2.12 RF随机森林时序、回归预测和分类

2.13 BLS宽度学习时序、回归预测和分类

2.14 PNN脉冲神经网络分类

2.15 模糊小波神经网络预测和分类

2.16 时序、回归预测和分类

2.17 时序、回归预测预测和分类

2.18 XGBOOST集成学习时序、回归预测预测和分类

2.19 Transform各类组合时序、回归预测预测和分类

方向涵盖风电预测、光伏预测、电池寿命预测、辐射源识别、交通流预测、负荷预测、股价预测、PM2.5浓度预测、电池健康状态预测、用电量预测、水体光学参数反演、NLOS信号识别、地铁停车精准预测、变压器故障诊断

🌟图像处理方面

图像识别、图像分割、图像检测、图像隐藏、图像配准、图像拼接、图像融合、图像增强、图像压缩感知

🌟 路径规划方面

旅行商问题（TSP）、车辆路径问题（VRP、MVRP、CVRP、VRPTW等）、无人机三维路径规划、无人机协同、无人机编队、机器人路径规划、栅格地图路径规划、多式联运运输问题、 充电车辆路径规划（EVRP）、 双层车辆路径规划（2E-VRP）、 油电混合车辆路径规划、 船舶航迹规划、 全路径规划规划、 仓储巡逻、公交车时间调度、水库调度优化、多式联运优化

🌟 无人机应用方面

无人机路径规划、无人机控制、无人机编队、无人机协同、无人机任务分配、无人机安全通信轨迹在线优化、车辆协同无人机路径规划、

🌟 通信方面

传感器部署优化、通信协议优化、路由优化、目标定位优化、Dv-Hop定位优化、Leach协议优化、WSN覆盖优化、组播优化、RSSI定位优化、水声通信、通信上传下载分配

🌟 信号处理方面

信号识别、信号加密、信号去噪、信号增强、雷达信号处理、信号水印嵌入提取、肌电信号、脑电信号、信号配时优化、心电信号、DOA估计、编码译码、变分模态分解、管道泄漏、滤波器、数字信号处理+传输+分析+去噪、数字信号调制、误码率、信号估计、DTMF、信号检测

🌟电力系统方面

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电力系统核心问题经济调度：机组组合、最优潮流、安全约束优化。新能源消纳：风光储协同规划、弃风弃光率量化、爬坡速率约束建模多能耦合系统：电-气-热联合调度、P2G与储能容量配置新型电力系统关键技术灵活性资源：虚拟电厂、需求响应、V2G车网互动、分布式储能优化稳定与控制：惯量支撑策略、低频振荡抑制、黑启动预案设计低碳转型：碳捕集电厂建模、绿氢制备经济性分析、LCOE度电成本核算风光出力预测：LSTM/Transformer时序预测、预测误差场景生成（GAN/蒙特卡洛）不确定性优化：鲁棒优化、随机规划、机会约束建模能源流分析、PSASP复杂电网建模，经济调度，算法优化改进，模型优化，潮流分析，鲁棒优化，创新点，文献复现微电网配电网规划，运行调度，综合能源，混合储能容量配置，平抑风电波动，多目标优化，静态交通流量分配，阶梯碳交易，分段线性化，光伏混合储能VSG并网运行，构网型变流器， 虚拟同步机等包括混合储能HESS：蓄电池+超级电容器，电压补偿,削峰填谷，一次调频，功率指令跟随，光伏储能参与一次调频，功率平抑，直流母线电压控制；MPPT最大功率跟踪控制，构网型储能，光伏，微电网调度优化，新能源，虚拟同同步机，VSG并网，小信号模型

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