面向多點(diǎn)偵察和通信服務(wù)的多無(wú)人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配

姚昌華 安蕾 劉鑫 韓貴真 高澤郃

摘要針對(duì)多無(wú)人機(jī)對(duì)多個(gè)異構(gòu)任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行偵察和通信服務(wù)的協(xié)同優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)考慮不同目標(biāo)的任務(wù)要求和價(jià)值，以及多機(jī)協(xié)同增益與任務(wù)行為制約關(guān)系，構(gòu)建斯坦伯格博弈模型，將上層無(wú)人機(jī)建立為博弈領(lǐng)導(dǎo)者，下層無(wú)人機(jī)建立為博弈的跟隨者，并提出一種分布式策略更新迭代算法，實(shí)現(xiàn)了多無(wú)人機(jī)任務(wù)分配方案的穩(wěn)定收斂以及系統(tǒng)任務(wù)收益優(yōu)化．仿真結(jié)果顯示，所提方法能有效提升多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)同時(shí)完成多個(gè)任務(wù)的效益，并能在不同環(huán)境下實(shí)現(xiàn)面向異構(gòu)任務(wù)價(jià)值的高效協(xié)同．

關(guān)鍵詞多無(wú)人機(jī)系統(tǒng);任務(wù)分配;斯坦伯格博弈;迭代算法

中圖分類(lèi)號(hào)

TN929.5;V279

文獻(xiàn)標(biāo)志碼

A

收稿日期

2021-08-16

資助項(xiàng)目

國(guó)家自然科學(xué)基金（61971439，61961010）;江蘇省自然科學(xué)基金（BK20191329）;中國(guó)博士后科學(xué)基金（2019T120987）;南京信息工程大學(xué)人才啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)（2020r100）

作者簡(jiǎn)介

姚昌華，男，博士，教授，研究方向?yàn)橹悄軣o(wú)人集群、智能無(wú)線通信．ych2347@163.com

安蕾（通信作者），女，碩士生，研究方向?yàn)橹悄軣o(wú)人集群．1178535838@qq.com

0 引言

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)的智能化水平也越來(lái)越高，數(shù)量眾多的無(wú)人機(jī)組成無(wú)人機(jī)群以其高度的靈活性、廣泛的適應(yīng)性、可控的經(jīng)濟(jì)性，擁有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用潛力．無(wú)人機(jī)可以對(duì)地面目標(biāo)近距離地實(shí)施選擇性和針對(duì)性的觀測(cè)和通信［1］．多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具有容錯(cuò)性強(qiáng)、自適應(yīng)性好等優(yōu)勢(shì)，更適合在復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)［2］．

多無(wú)人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行任務(wù)分配，以提高任務(wù)執(zhí)行效率．無(wú)人機(jī)集群的任務(wù)規(guī)劃是指根據(jù)任務(wù)需求、自身特性等對(duì)目標(biāo)任務(wù)進(jìn)行綜合調(diào)度，從而建立無(wú)人機(jī)與任務(wù)目標(biāo)之間合理的映射協(xié)同關(guān)系［3-4］．對(duì)于異構(gòu)主體之間的協(xié)同問(wèn)題，已有了一些相關(guān)研究，比如：文獻(xiàn)［5］采用多架無(wú)人機(jī)協(xié)同輔助實(shí)施任務(wù)分配和路徑優(yōu)化的分層優(yōu)化方案，能夠解決降低時(shí)間和能耗的優(yōu)化問(wèn)題;文獻(xiàn)［6］針對(duì)多無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)飛機(jī)協(xié)同任務(wù)分配問(wèn)題建立了一種擴(kuò)展的多目標(biāo)整數(shù)規(guī)劃模型，并采用改進(jìn)的量子粒子群算法求解最優(yōu)方案;文獻(xiàn)［7］針對(duì)任務(wù)隨機(jī)下發(fā)場(chǎng)景中由于任務(wù)完成時(shí)間約束帶來(lái)的任務(wù)完成度低的問(wèn)題，通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法進(jìn)行無(wú)人機(jī)的行為決策，達(dá)到新任務(wù)與正在執(zhí)行任務(wù)的動(dòng)態(tài)分配以提高任務(wù)完成度;文獻(xiàn)［8］考慮飛行航程和任務(wù)分配均衡性，在自適應(yīng)遺傳算法運(yùn)行過(guò)程中對(duì)交叉率和變異率進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，以克服標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法陷入局部最優(yōu)的缺點(diǎn);文獻(xiàn)［9］針對(duì)多目標(biāo)跟蹤任務(wù)分配中傳感器之間競(jìng)爭(zhēng)與合作的關(guān)系，提出了一種基于博弈理論的多目標(biāo)跟蹤任務(wù)傳感器資源分配方法;文獻(xiàn)［10］考慮在通信帶寬有限條件下多無(wú)人機(jī)組隊(duì)的任務(wù)分配問(wèn)題，通過(guò)協(xié)調(diào)偵察、執(zhí)行和評(píng)估任務(wù)，改進(jìn)基于一致性的競(jìng)拍算法來(lái)減少通信負(fù)擔(dān);文獻(xiàn)［11］基于相鄰局部通信的分布式拍賣(mài)算法，實(shí)現(xiàn)了多無(wú)人機(jī)任務(wù)協(xié)同分配的優(yōu)化求解問(wèn)題;文獻(xiàn)［12］采用多無(wú)人機(jī)輔助移動(dòng)邊緣計(jì)算系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化一個(gè)有限周期內(nèi)的無(wú)人機(jī)軌跡和用戶(hù)調(diào)度;文獻(xiàn)［13］考慮任務(wù)分配中聯(lián)盟的構(gòu)建和無(wú)人機(jī)資源管理方法，使聯(lián)盟中各無(wú)人機(jī)能夠以更加平衡的方式消耗資源，提升系統(tǒng)性能;文獻(xiàn)［14］綜合考慮無(wú)人機(jī)的物理性能約束，應(yīng)用基于模擬退火的混合粒子群算法進(jìn)行任務(wù)分配求解;文獻(xiàn)［15］建立多任務(wù)的分配問(wèn)題模型，采用多余負(fù)載競(jìng)拍方案減少非法劣解，通過(guò)實(shí)數(shù)編碼建立粒子和實(shí)際分配方案之間的映射關(guān)系，解決實(shí)際分配問(wèn)題;文獻(xiàn)［16］研究了MEC輔助無(wú)人機(jī)群中所有成員的總延遲的最小化問(wèn)題，提出卸載模型，縮短了任務(wù)的完成時(shí)間;文獻(xiàn)［17］提出一種動(dòng)態(tài)分散任務(wù)分配算法，用于任務(wù)分配問(wèn)題中在線新任務(wù)的分配．

上述文獻(xiàn)所研究的任務(wù)目標(biāo)大多是同構(gòu)的［9，12，16-17］，未考慮異構(gòu)的任務(wù)價(jià)值［10-11，13］，也未考慮同時(shí)存在多點(diǎn)偵察任務(wù)和通信服務(wù)．從方法上看，現(xiàn)有多數(shù)研究基于集中式分配算法［5-8，14-15］，即需要一個(gè)中心控制實(shí)體來(lái)為集群內(nèi)的所有成員分配任務(wù)．這種模式不利于提高無(wú)人機(jī)集群的魯棒性和環(huán)境適應(yīng)能力．在無(wú)人機(jī)集群執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中，大部分的環(huán)境狀態(tài)都是動(dòng)態(tài)變化的，其任務(wù)分配的方案也應(yīng)該隨時(shí)優(yōu)化調(diào)整，以有效應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的變化．集中式任務(wù)分配算法存在計(jì)算復(fù)雜度高、依賴(lài)中心節(jié)點(diǎn)等問(wèn)題．研究自適應(yīng)強(qiáng)的多無(wú)人機(jī)分布式動(dòng)態(tài)任務(wù)分配方法，是多無(wú)人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配的現(xiàn)實(shí)需要，也是難點(diǎn)問(wèn)題．

本文研究多無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的任務(wù)目標(biāo)調(diào)度問(wèn)題，構(gòu)建面向異構(gòu)任務(wù)類(lèi)型和價(jià)值的斯坦伯格（Stackelberg）博弈模型，設(shè)計(jì)通信和偵察的任務(wù)效用函數(shù)，并提出分層用戶(hù)偵察和通信任務(wù)調(diào)度以及功率控制算法，實(shí)現(xiàn)基于無(wú)人機(jī)自主任務(wù)選擇的多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)任務(wù)分配穩(wěn)定收斂以及系統(tǒng)任務(wù)總收益優(yōu)化．

1 系統(tǒng)模型和問(wèn)題建模

1.1 系統(tǒng)模型

無(wú)人機(jī)通信偵察任務(wù)分配系統(tǒng)模型如圖1所示，由一個(gè)領(lǐng)頭無(wú)人機(jī)（Leader Drone，LD）和隨機(jī)分布在其周?chē)腘個(gè)協(xié)同無(wú)人機(jī)（Collaborative Drone，CD）構(gòu)成，共同完成多個(gè)任務(wù)．每一架無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)或服務(wù)范圍內(nèi)均有隨機(jī)分布的不同數(shù)量的通信和偵察兩類(lèi)任務(wù)．每個(gè)任務(wù)的重要程度或?qū)傩圆煌鋵?duì)應(yīng)的任務(wù)價(jià)值也不同．各架無(wú)人機(jī)根據(jù)自身位置與目標(biāo)之間的距離、目標(biāo)價(jià)值、偵察或通信服務(wù)所獲得的期望收益，以及與其他無(wú)人機(jī)通信鏈路之間可能的干擾關(guān)系，來(lái)自主決定選擇任務(wù)對(duì)象．

令0表示領(lǐng)頭無(wú)人機(jī)，則分布在周?chē)膮f(xié)同無(wú)人機(jī)集合表示為A=｛CD 1，CD 2，…，CD N｝，領(lǐng)頭及協(xié)同無(wú)人機(jī)可調(diào)度通信任務(wù)目標(biāo)集合表示為T(mén) u，i=｛1，2，…，m｝，i∈A∪｛0｝，可調(diào)度的偵察任務(wù)目標(biāo)集合表示為T(mén) z，i=｛1，2，…，n｝．信道增益為g i，j，j∈T u，i∪T z，i∪｛0｝，并且假定信道增益在任務(wù)目標(biāo)調(diào)度和功率調(diào)整時(shí)期穩(wěn)定不變．LD和CD的發(fā)射功率向量為p=［p 0，p 1，…，p N］，背景干擾噪聲功率為σ2．CD執(zhí)行通信偵察任務(wù)后，需要將信息上傳匯報(bào)給領(lǐng)頭無(wú)人機(jī)．偵察任務(wù)中，每一架無(wú)人機(jī)對(duì)各個(gè)任務(wù)目標(biāo)對(duì)象的分辨率r為定值，構(gòu)建分辨率矩陣．通信任務(wù)調(diào)度中，當(dāng)給定LD以及其他CD的調(diào)度策略后，CD i服務(wù)第k個(gè)通信任務(wù)目標(biāo)的下行信噪比為

γk i（p i，p -i）=p ig i，kIk i（p -i），? （1）

通信信息上傳時(shí)的信噪比為

k i（p i，p -i）=p i，0g i，0Ik i（p -i，0），? （2）

其中Ik i（p -i）=p 0g 0，k+∑j≠i，j∈Ap jg j ，k+σ2，Ik i（p -i，0）=∑j≠i，j∈Ap j，0g j，0+σ2，p -i=［p 0，p 1，…，p i-1，p i+1，…，p N］表示除CD i以外的所有無(wú)人機(jī)的功率分配向量.CD i下的通信任務(wù)目標(biāo)同時(shí)收到來(lái)自鄰居CD的同層干擾以及來(lái)自LD的跨層干擾．p i，0為通信上傳功率值，假定CD到LD通信上傳速率為R i，分配帶寬為 i，由R i= ilog 21+p i，0g i，0σ2可求得p i，0．另外，LD服務(wù)的第l個(gè)通信任務(wù)目標(biāo)的下行信噪比可以表示為

γl 0（p 0，p -0）=p 0g 0，lIl 0（p -0）=p 0g 0，l∑j∈Ap jg j，l+σ2．（3）

1.2 斯坦伯格分層博弈模型

在本文多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)協(xié)同模型中，任務(wù)類(lèi)型包含通信任務(wù)和偵察任務(wù)兩類(lèi)．因目標(biāo)任務(wù)的重要程度不同，需要對(duì)LD和CD任務(wù)執(zhí)行進(jìn)行合理規(guī)劃，任務(wù)目標(biāo)重要程度較高的服務(wù)質(zhì)量（QoS）需要首先得到保障．本文基于任務(wù)優(yōu)先級(jí)以及任務(wù)目標(biāo)需求的差異性，采用分層博弈模型來(lái)刻畫(huà)領(lǐng)頭無(wú)人機(jī)和協(xié)同無(wú)人機(jī)之間的任務(wù)目標(biāo)調(diào)度和功率分配問(wèn)題．在該博弈中，先做出決策的一方為領(lǐng)導(dǎo)者（leader），其余觀測(cè)領(lǐng)導(dǎo)者的決策從而做出行動(dòng)的一方稱(chēng)為跟隨者（follower）．本文將上層領(lǐng)頭無(wú)人機(jī)視為領(lǐng)導(dǎo)者，下層協(xié)同無(wú)人機(jī)視為跟隨者，利用分層斯坦伯格（Stackelberg）博弈模型刻畫(huà)LD-CD之間的分層競(jìng)爭(zhēng)交互關(guān)系．目標(biāo)任務(wù)調(diào)度中，Stackelberg定義為

G=｛A，｛P 0，C 0｝，｛P i，C i｝ i∈A，｛U 0｝，｛U i｝ i∈A｝，? （4）

其中｛P 0，C 0｝和｛P i，C i｝ i∈A分別表示LD和CD的策略空間，｛U 0｝和｛U i｝ i∈A分別表示LD和CD執(zhí)行目標(biāo)任務(wù)效用函數(shù)．

對(duì)于執(zhí)行通信服務(wù)任務(wù)的無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)效用函數(shù)的設(shè)計(jì)同時(shí)考慮了目標(biāo)任務(wù)的滿意度和功率消耗．對(duì)于給定的通信目標(biāo)k，LD的效用函數(shù)可以表示為

Uk 0（p 0，p -0）=Uk 0（p 0，p -0）-Ck 0（p 0，p -0）=

11+exp（-αk 0（γk 0-βk 0））·v k-μ 0p 0.? （5）

該效用函數(shù)包含兩部分：第一部分為服務(wù)通信任務(wù)目標(biāo)對(duì)象的收益Uk 0（p 0，p -0） ，被建模為S型函數(shù)，代表所服務(wù)通信目標(biāo)任務(wù)的滿意度;第二部分是代價(jià)函數(shù)Ck 0（p 0，p -0），表示動(dòng)態(tài)的功率開(kāi)銷(xiāo)，其中的參數(shù)α 0和β 0分別為S型函數(shù)的陡度和中心值．v k代表通信任務(wù)目標(biāo)k的價(jià)值．μ 0為常數(shù)，用來(lái)權(quán)衡服務(wù)目標(biāo)的滿意度和功率能量消耗．當(dāng)給定CD i服務(wù)第k個(gè)通信任務(wù)目標(biāo)時(shí)，其效用函數(shù)可以表示為

Uk i（p i，p -i）=Uk i（p i，p -i）-Ck i（p i，p -i）=

11+exp（-αk i（γk i+θk i-βk i））·v k-

μ ip i-λ ig i，0p i-κ ip i，0，? （6）

其中，CD i的收益函數(shù)部分同時(shí)考慮了服務(wù)通信任務(wù)目標(biāo)對(duì)象的滿意度和通信上傳的滿意度，θ為常數(shù)，用于折中通信下行信噪比和上傳信噪比．此外α i和β i分別為函數(shù)陡度和中心值．CD i代價(jià)函數(shù)部分同時(shí)考慮了執(zhí)行目標(biāo)任務(wù)的功率消耗、上傳通信信息的功率消耗和下層CD i對(duì)上層LD通信服務(wù)的干擾懲罰．κ i表示上傳通信信息功率消耗系數(shù)，λ i表示干擾懲罰參數(shù)，用于調(diào)節(jié)跨層干擾對(duì)上層服務(wù)目標(biāo)的影響．當(dāng)CD i增加發(fā)射功率時(shí)，服務(wù)任務(wù)目標(biāo)對(duì)象的滿意度增加，同時(shí)將會(huì)對(duì)上層LD帶來(lái)更高的跨層干擾，影響LD服務(wù)任務(wù)目標(biāo)的QoS，因此CD i需要進(jìn)行折中優(yōu)化．

對(duì)于執(zhí)行偵查服務(wù)任務(wù)的無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)偵察效用函數(shù)的設(shè)計(jì)同樣包括目標(biāo)任務(wù)的滿意度和功率消耗兩部分.偵察目標(biāo)任務(wù)調(diào)度中，每一架無(wú)人機(jī)對(duì)各個(gè)任務(wù)目標(biāo)的分辨率為定值，構(gòu)建分辨率矩陣．給定LD服務(wù)偵察任務(wù)目標(biāo)時(shí)，其偵察效用函數(shù)可以表示為

Ux 0=Ux 0-Cx 0=

v x1+exp-αx 0 rx 0dx 0 ·p′ 0-βx 0 -δ 0p′ 0. （7）

該效用函數(shù)包括兩個(gè)部分，Ux 0 表示服務(wù)偵察任務(wù)目標(biāo)的收益，Cx 0 表示服務(wù)偵察目標(biāo)的代價(jià)，即LD圖像識(shí)別的功率消耗．其中，rx 0 為L(zhǎng)D對(duì)任務(wù)目標(biāo)的分辨率，dx 0 為L(zhǎng)D與任務(wù)目標(biāo)距離，偵察收益建模為S型函數(shù)，δ 0為圖像識(shí)別功率消耗比例常數(shù)．當(dāng)給定CD i服務(wù)偵察任務(wù)目標(biāo)x時(shí)，其偵察效用函數(shù)可以表示為

Ux i=Ux i-Cx i=

v x1+exp-αx i rx idx i τx i p′ i-βx i -

ig i，0（1-τ i）p′ i-δ iτ ip′ i，? （8）

其中代價(jià)函數(shù)部分同時(shí)考慮了圖像上傳的功率消耗和LD識(shí)別的功率消耗，p′ i 為每個(gè)CD i進(jìn)行偵察任務(wù)的總功率，τ i用于識(shí)別計(jì)算處理的功率比例，1-τ i表示識(shí)別完成后偵察信息上傳功率消耗比例， i為偵察信息上傳干擾懲罰參數(shù)，用來(lái)權(quán)衡偵察信息上傳對(duì)領(lǐng)頭無(wú)人機(jī)產(chǎn)生的干擾，δ i為常數(shù)，權(quán)衡CD i用于拍照的功率消耗，默認(rèn)δ 0=δ i．

2 斯坦伯格均衡求解

定義符號(hào)Φ i=｛p i，c i｝，Φ -i=｛Φ 0，Φ 1，…，Φ i-1，Φ i+1，…，Φ N｝，Φ m=｛Φ 1，Φ 2，…，Φ N｝．

定義1 （斯坦伯格均衡，Stackelberg Equilibrium，SE）［18］ Φ* 0 表示上層博弈最大化效用函數(shù)的最佳相應(yīng)策略，Φ* m 表示下層博弈的最佳響應(yīng)策略．對(duì)于任意的策略組合，均滿足以下條件：

U 0（Φ* 0，Φ* m）≥U 0（Φ 0，Φ* m），? （9）

U i（Φ* i，Φ* -i）≥U i（Φ i，Φ* -i）．? （10）

（Φ* 0，Φ* m）稱(chēng)為斯坦伯格均衡．LD最優(yōu)策略由下層博弈最佳響應(yīng)策略給定，最大化自身效用函數(shù)求解．同理，CD的最優(yōu)策略是由給定上層博弈的最佳相應(yīng)策略，最大化自身效用函數(shù)求解．通過(guò)逆向遞推法尋求上下兩層子博弈的均衡，如圖2所示．

2.1 下層均衡求解

給定上層LD的任務(wù)目標(biāo)選擇和發(fā)射功率，每一個(gè)CD獨(dú)立地選擇最佳策略來(lái)最大化自身效用函數(shù)，因此，下層子博弈定義為

G=｛A，｛Φ i｝ i∈A，｛U i｝ i∈A｝．? （11）

定理1 給定其他無(wú)人機(jī)的策略Φ -i，CD i最優(yōu)的通信任務(wù)目標(biāo)選擇：

t* i=arg maxg i，kIk i（p -i）+θε ig i，0Ik i（p -i，0）v k．? （12）

證明 當(dāng)給定其他無(wú)人機(jī)策略Φ -i，令p i，0=ε ip i，Λ i=g i，kIk i（p -i）+θε ig i，0Ik i（p -i，0），CD i服務(wù)于任意兩個(gè)通信任務(wù)目標(biāo)k和l，假定Λk i≥Λl i，v k≥v l，顯然，γk i+θk i≥γl i+θl i，然后計(jì)算服務(wù)不同任務(wù)目標(biāo)的效用差值為

Uk i-Ul i=Uk i-Ul i=

v k1+exp（-α i（γk i+θk i-β i））-

v l1+exp（-α i（γl i+θl i-β i））≥0. （13）

因此，CD i最優(yōu)通信任務(wù)目標(biāo)t* i=arg maxg i，kIk i（p -i）+θε ig i，0Ik i（p -i，0）v k，定理1得證．

CD i通過(guò)定理1確定最優(yōu)通信任務(wù)目標(biāo)，然后進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)射功率最大化效用函數(shù)．為方便求解，令Γ i=γt i i+θt i i，pt i i，0=ε ipt i i，其Ut i i 對(duì)p i求偏導(dǎo)得：

dUt i idp i=Ut i i ′（Γ i）d（Γ i）dp i-dC idp i．? （14）

令dUt i idp i=0，即得：

Ut i i ′（Γ i）d（Γ i）dp i=dC idp i．? （15）

令g i，t iIt i i（Φ -i）+θε ig i，0It i i（Φ -i，0）=1B i，即得：

Ut i i ′（Γ i）=（μ i+κ iε i+λ ig i，0）×B i．? （16）

令Ψ（Γ i）=Ut i i ′（Γ i），可得：

Γ i=Ψ-1［Ut i i ′（Γ i）］=? Ψ-1［（μ i+κ iε i+λ ig i，0）×B i］．（17）

S型函數(shù)倒數(shù)滿足以下關(guān)系：

Ut i i ′（Γ i）=α iUt i i（Γ i）［1-Ut i i（Γ i）］．（18）

根據(jù)式（16）和式（18）可得：

p* i=B iβ i-B iα i×lnA i2-1-A i2-12-1，? （19）

其中A i=α i×v t i（μ i+κ iε i+λ ig i，0）×B i.下層調(diào)度通信任務(wù)目標(biāo)和上傳信息總信噪比和為

Γ i=β i-1α i×lnA i2-1-A i2-12-1．（20）

CD的通信效用函數(shù)即可轉(zhuǎn)化為

Ut i i（Γ i）=v t i1+exp（-α i（Γ i-β i））-? （μ i+κ iε i+λ ig i，0）·B i·Γ i．? （21）

通過(guò)式（18）和代價(jià)直線是一條過(guò)原點(diǎn)的切線［19］可得：

U′ i（Γ i）Γ i=U i（Γ i）．（22）

經(jīng)過(guò)運(yùn)算參數(shù)β i可以設(shè)置如下：

β i=Γ i-ln（α iΓ i-1）α i．? （23）

同理，令p′ i=p i，偵察效用值由式（8）求得，比較所有偵察任務(wù)目標(biāo)效用值，選擇最優(yōu)偵察任務(wù)目標(biāo)x* i．若效用值為負(fù)，此時(shí)p′ i=0，選擇放棄該任務(wù)目標(biāo)的偵察任務(wù)．分析通信偵察效用值，確定最優(yōu)的任務(wù)目標(biāo)選擇為c* i.假設(shè)對(duì)于任意的i，B i·Ψ-1［（μ i+κ iε i+λ ig i，0）×B i］在區(qū)間［L i，H i］上為增函數(shù)，其中g(shù) i，t iIt i i（Φ -i）+θε ig i，0It i i（Φ -i，0）=1B i，L i=min［L1 i，L2 i，…，Lm i］，H i=max［H1 i，H2 i，…，Hm i］．下層迭代中CD的功率控制形式為pt* i i（k+1）=min［p1 i（k+1），p2 i（k+1），…，pm i（k+1）］，其中pt i i（k+1）=Ft i i（p（k））．令F i（p（k））=min［F1 i（p（k）），F(xiàn)2 i（p（k）），…，F(xiàn)m i（p（k））］，最終功率更新迭代和服務(wù)任務(wù)目標(biāo)迭代策略為

p* i（k+1）=F i（p（k）），? （24）

c* i（k+1）=arg max（Ut* i i，Ux* i i）．? （25）

下層博弈中，上述任務(wù)目標(biāo)選擇和策略更新迭代過(guò)程最終收斂在唯一的納什均衡點(diǎn).下面引入標(biāo)準(zhǔn)干擾函數(shù)相關(guān)內(nèi)容輔助證明．

定義2（唯一性證明）［20］ 如果函數(shù)F（p）滿足以下條件，則該函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)干擾函數(shù)：

1）非負(fù)性：F（p）>0;

2）單調(diào)性：對(duì)于任意p1>p2，則F（p1）>F（p2）;

3）伸縮性：對(duì)于任意τ>1，則τF（p）>F（τp）．

如果函數(shù)F1（p）和F2（p）為標(biāo)準(zhǔn)干擾函數(shù)，其組合函數(shù)也必然滿足標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)特性；如果博弈參與者最佳響應(yīng)函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)干擾函數(shù)，則該博弈必然存在唯一的納什均衡解．

定理2 下層博弈中CD服務(wù)通信任務(wù)目標(biāo)的功率迭代更新為標(biāo)準(zhǔn)干擾函數(shù)，即p* i（k+1）=F i（p（k）），將從任意可行的初始值收斂到唯一的納什均衡點(diǎn)．

證明 對(duì)于CD i中任意一個(gè)任務(wù)目標(biāo)t i，即pt i i=Ft i i（p），則有

Ft i i（p）=B i·Γ i=B i·Ψ-1［（μ i+κ iε i+λ ig i，0）×B i］，

其中g(shù) i，t iIt i i（Φ -i）+θε ig i，0It i i（Φ -i，0）=1B i．下層CD策略調(diào)整時(shí)，由于上層LD的策略是固定不變的，下層其他CD的策略也不會(huì)影響當(dāng)前CD策略，只受其余CD發(fā)射功率的影響，因此It i i（Φ -i）=It i i（p -i）．

1）非負(fù)性：由于背景噪聲非零，因此B i>0，非負(fù)性滿足條件．

2）單調(diào)性：如果p1>p2，則It i i（p1 -i）>It i i（p2 -i），It i i（p1 -i，0）>It i i（p2 -i，0），因?yàn)楹瘮?shù)B i·Ψ-1［（μ i+κ iε i+λ ig i，0）×B i］在區(qū)間［L i，H i］上為增函數(shù)，其中L i=min［L1 i，L2 i，…，Lm i］，H i=max［H1 i，H2 i，…，Hm i］，因此Ft i i（p1）>Ft i i（p2），單調(diào)性滿足條件．

3）伸縮性：對(duì)于任意τ>1，則有

Fm i（τp）-τFm i（p）=

1η 1·Ψ-1ω×1η 1-τ1η 2·Ψ-1ω×1η 2<

1η 1·Ψ-1ω×1η 2-τ1η 2·Ψ-1ω×1η 2<0，

其中η 1=g i，mIm i（τp -i）+θε ig i，0Im i（τp -i，0），η 2=g i，mIm i（p -i）+θε ig i，0Im i（p -i，0），ω=μ i+κ iε i+λ ig i，0．因此，伸縮性滿足條件．故pt i i（k+1）=Ft i i（p（k））為標(biāo)準(zhǔn)干擾函數(shù)．假定第k+1次迭代，服務(wù)的通信任務(wù)目標(biāo)為t* i（k+1），功率更新迭代可得：

pt* i i（k+1）=min［p1 i（k+1），p2 i（k+1），…，pm i（k+1）］=

min［F1 i（p（k）），F(xiàn)2 i（p（k）），…，F(xiàn)m i（p（k））］．

因F1 i（p（k）），F(xiàn)2 i（p（k）），…，F(xiàn)m i（p（k））均為標(biāo)準(zhǔn)干擾函數(shù)，由此可得pt* i i（k+1）=F i（p（k））為標(biāo)準(zhǔn)干擾函數(shù)，下層子博弈迭代更新函數(shù)必然存在唯一的納什均衡解，得證．

2.2 上層均衡求解

上層子博弈定義為

G=｛｛0｝，｛Φ 0｝，｛U 0｝｝， （26）

則其LD最優(yōu)的通信任務(wù)目標(biāo)選擇為

t* 0=arg maxg 0，kIk 0（p -0）·v k. （27）

同理，進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)射功率最大化效用函數(shù)可得：

p* 0=B 0γ 0=B 0β 0-B 0α 0×lnA 02-1-A 02-12-1， （28）

Ut 0 0（Γ 0）=v t 01+exp（-α 0（γ 0-β 0））-μ 0·B 0·γ 0， （29）

其中B 0=Ik 0（p -0）g 0，k，A 0=α 0·v t 0μ 0·B 0．上層偵察任務(wù)目標(biāo)效用值由式（7）求得，比較所有偵察任務(wù)效用值，選擇最優(yōu)偵察任務(wù)目標(biāo)x* 0．類(lèi)似于下層子博弈的迭代更新，LD的功率迭代更新為

pt* 0 0（k+1）=min［p1 0（k+1），p2 0（k+1），…，pm 0（k+1）］=

min［F1 0（p（k）），F(xiàn)2 0（p（k）），…，F(xiàn)m 0（p（k））］.? （30）

因此，LD服務(wù)任務(wù)目標(biāo)和功率更新策略為

p* 0（k+1）=F 0（p（k）），? （31）

c* 0（k+1）=arg max（Ut* 0 0，Ux* 0 0）．（32）

3 算法流程

子博弈循環(huán)采用一般迭代算法求解，達(dá)到斯坦伯格均衡迭代結(jié)束，上下層目標(biāo)任務(wù)分配不再改變．具體流程如圖3所示．

4 仿真分析

對(duì)于無(wú)人機(jī)位置、無(wú)人機(jī)所服務(wù)的通信和偵察任務(wù)目標(biāo)個(gè)數(shù)、通信和偵察任務(wù)目標(biāo)價(jià)值等信息構(gòu)建場(chǎng)景進(jìn)行仿真分析，同時(shí)通過(guò)調(diào)整無(wú)人機(jī)位置，設(shè)定不同場(chǎng)景對(duì)上下層博弈交互進(jìn)行迭代更新，驗(yàn)證算法的收斂性．

4.1 參數(shù)設(shè)置

場(chǎng)景設(shè)置參數(shù)如下：LD可服務(wù)任務(wù)目標(biāo)區(qū)域半徑為500 m，10個(gè)CD隨機(jī)分布在LD調(diào)度范圍內(nèi)，其可服務(wù)任務(wù)目標(biāo)半徑為80 m，通信和偵察任務(wù)隨機(jī)分布在LD和CD服務(wù)范圍內(nèi)．LD可服務(wù)的通信任務(wù)目標(biāo)和偵察任務(wù)目標(biāo)均為3個(gè)． CD可服務(wù)的通信和偵察任務(wù)目標(biāo)個(gè)數(shù)分別依次為4、5、4、5、4、4、5、3、4、3和3、4、2、4、3、2、4、1、2、2．LD所服務(wù)的通信和偵察任務(wù)目標(biāo)價(jià)值v=1，CD所服務(wù)的通信和偵察任務(wù)目標(biāo)價(jià)值相對(duì)較低，取值在［0.9，0.95］內(nèi)隨機(jī)生成． 其中CD i到任務(wù)目標(biāo)j的信道增益g i，j=d-2 i，j，d-2 i，j表示對(duì)應(yīng)的距離，信號(hào)衰減為25 dB．LD所服務(wù)通信任務(wù)目標(biāo)信噪比為γ 0=30 dB，CD所服務(wù)通信任務(wù)目標(biāo)的信噪比和上傳信噪比均在［10，20］dB內(nèi)隨機(jī)生成．噪聲功率σ2=10-8 mW．參數(shù)α i=0.2，θ=1，β i由式（23）確定．通信干擾懲罰和干擾代價(jià)參數(shù)設(shè)置為λ i=108，μ i=1，上傳功率消耗參數(shù)為κ i=1．偵察任務(wù)中LD識(shí)別圖像功率消耗δ 0=1，CD識(shí)別圖像功率消耗δ i=1，上傳干擾懲罰和上傳功率比例參數(shù)設(shè)置為 i=108，τ i=0.6．表1中給出了LD和CD對(duì)偵察任務(wù)目標(biāo)對(duì)象的分辨率大?。鲜鰠?shù)在后面仿真中均保持不變．圖4中給出兩種無(wú)人機(jī)不同位置下的仿真場(chǎng)景．

4.2 結(jié)果分析

圖5給出了場(chǎng)景1和場(chǎng)景2中相應(yīng)的LD和CD的效用迭代更新曲線，每一輪迭代15次，共設(shè)置20輪，橫坐標(biāo)為迭代輪數(shù)，縱坐標(biāo)為各無(wú)人機(jī)效用值．給定上層的目標(biāo)任務(wù)選擇后，下層為滿足通信任務(wù)目標(biāo)的最小信噪比需求進(jìn)而優(yōu)化最小的發(fā)射功率，在每一輪的15次迭代的過(guò)程中，由于功率在增大，各協(xié)同無(wú)人機(jī)之間的同層干擾逐漸增大，需要不斷地增大功率滿足信噪比需求，不斷迭代直至下層穩(wěn)定．上層迭代過(guò)程中，由于協(xié)同無(wú)人機(jī)的功率在增大，跨層干擾在增大，領(lǐng)頭無(wú)人機(jī)需要增大發(fā)射功率滿足自身的信噪比需求，直至上層穩(wěn)定．結(jié)合圖6中場(chǎng)景1和場(chǎng)景2中相應(yīng)的LD和CD的各輪目標(biāo)的迭代變化曲線，分析得出效用曲線中的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為無(wú)人機(jī)依據(jù)效用值的變化選擇偵察任務(wù)目標(biāo)．從效用的更新曲線來(lái)看，上下層博弈交互迭代后最終均能夠達(dá)到收斂狀態(tài)，驗(yàn)證了所提算法的收斂性能．

表2中給出了上下層子博弈達(dá)到斯坦伯格均衡時(shí)無(wú)人機(jī)最優(yōu)通信和偵察任務(wù)分配結(jié)果．各無(wú)人機(jī)能夠自主進(jìn)行服務(wù)通信或偵察目標(biāo)優(yōu)化分配．其中，T u，0為領(lǐng)頭無(wú)人機(jī)通信任務(wù)目標(biāo)，T z，0為領(lǐng)頭無(wú)人機(jī)偵察任務(wù)目標(biāo)，T u，1～T u，10為各協(xié)同無(wú)人機(jī)的通信任

務(wù)目標(biāo)，T z，1～T z，10為各協(xié)同無(wú)人機(jī)的偵察任務(wù)目標(biāo)（以T u，0=1為例，表示領(lǐng)頭無(wú)人機(jī)均衡下選擇1號(hào)通信任務(wù)目標(biāo)）．

4.3 系統(tǒng)效用對(duì)比

圖7a與7b中給出了任務(wù)目標(biāo)調(diào)度過(guò)程中聯(lián)合考慮通信和偵察任務(wù)、只考慮通信任務(wù)和只考慮偵察任務(wù)三種狀態(tài)下的系統(tǒng)效用值變化．在所用算法下，考慮通信任務(wù)的收益由于需要滿足信噪比需求，功率增大過(guò)程中同層和跨層干擾在增大，使得在決策過(guò)程中效用值呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)．可以看出，上下層博弈最終收斂至均衡點(diǎn)，所用算法的系統(tǒng)效用值均大于只考慮通信或者偵察單個(gè)指標(biāo)．圖7c與7d中聯(lián)合考慮通信偵察任務(wù)下依據(jù)所用算法、最大任務(wù)目標(biāo)價(jià)值和隨機(jī)決策三種方法進(jìn)行任務(wù)目標(biāo)選擇，橫坐標(biāo)為迭代輪數(shù)，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)效用值，可以看出，所用算法系統(tǒng)效用值均大于依據(jù)最大價(jià)值選擇和隨機(jī)決策兩種方法，并能夠有效提高多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的整體效用．

圖8分別給出了8、9、10、11、12、13架協(xié)同無(wú)人機(jī)情況下系統(tǒng)的效用值對(duì)比．協(xié)同無(wú)人機(jī)數(shù)量的改變構(gòu)成不同的場(chǎng)景，可以看出，上下層博弈交互迭代達(dá)到斯坦伯格均衡后，聯(lián)合考慮通信偵察任務(wù)的效用值均大于考慮通信或者偵察單個(gè)指標(biāo)情況．

5 結(jié)束語(yǔ)

多無(wú)人機(jī)通信和偵察任務(wù)分配在無(wú)人集群網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中具有重要的研究意義．本文聚焦于無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)調(diào)度和功率控制的聯(lián)合優(yōu)化，利用分層博弈框架分析領(lǐng)頭無(wú)人機(jī)和協(xié)同無(wú)人機(jī)的決策行為，采用分布式策略迭代更新算法求解Stackelberg均衡，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)最優(yōu)目標(biāo)任務(wù)調(diào)度．對(duì)多個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了所提算法能夠在多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)分布式任務(wù)分配的收斂和系統(tǒng)穩(wěn)定，并有效提高了多無(wú)人機(jī)系統(tǒng)遂行任務(wù)的整體效用．

參考文獻(xiàn)

References

［1］ 宗群，王丹丹，邵士凱，等.多無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行控制研究現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，49（3）：1-14

ZONG Qun，WANG Dandan，SHAO Shikai，et al.Research status and development of multi UAV coordinated formation flight control［J］.Journal of Harbin Institute of Technology，2017，49（3）：1-14

［2] 張可為，趙曉林，李宗哲，等.多無(wú)人機(jī)偵察任務(wù)分配方法研究綜述［J］.電光與控制，2021，28（7）：68-72，82

ZHANG Kewei，ZHAO Xiaolin，LI Zongzhe，et al.A review of multi-UAV reconnaissance mission assignment methods［J］.Electronics Optics ＆ Control，2021，28（7）：68-72，82

［3] Zhang L，Zhu Y A，Shi X C.A hierarchical decision-making method with a fuzzy ant colony algorithm for mission planning of multiple UAVs［J］.Information，2020，11（4）：226

［4] Huang T Y，Wang Y，Cao X W，et al.Multi-UAV mission planning method［C］／／2020 3rd International Conference on Unmanned Systems（ICUS）.November 27-28，2020，Harbin，China.IEEE，2020：325-330

［5] Du X Y，Guo Q C，Li H，et al.Multi-UAVs cooperative task assignment and path planning scheme［J］.Journal of Physics：Conference Series，2021，1856（1）：012016

［6] 趙雪森，王社偉，邵校.基于改進(jìn)量子粒子群優(yōu)化算法的多UCAV協(xié)同任務(wù)分配研究［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2015，36（10）：120-124

ZHAO Xuesen，WANG Shewei，SHAO Xiao.Cooperative task allocation for multiple UCAV based on improved quantum-behaved particle swarm optimization algorithm［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2015，36（10）：120-124

［7] 唐峯竹，唐欣，李春海，等.基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的多無(wú)人機(jī)任務(wù)動(dòng)態(tài)分配［J］.廣西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，39（6）：63-71

TANG Fengzhu，TANG Xin，LI Chunhai，et al.Dynamic task allocation method for UAVs based on deep reinforcement learning［J］.Journal of Guangxi Normal University（Natural Science Edition），2021，39（6）：63-71

［8］ 王樹(shù)朋，徐旺，劉湘德，等.基于自適應(yīng)遺傳算法的多無(wú)人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配［J］.電子信息對(duì)抗技術(shù)，2021，36（1）：59-64

WANG Shupeng，XU Wang，LIU Xiangde，et al.Cooperative task assignment for multi-UAV based on adaptive genetic algorithm［J］.Electronic Warfare Technology，2021，36（1）：59-64

［9] Quan B，Lu X M，Zhang Y M，et al.A multi-objective tracking task assignment algorithm based on game theory［J］.Journal of Physics：Conference Series，2021，1802（3）：032115

［10] Fu X W，Pan J，Gao X G，et al.Task allocation method for multi-UAV teams with limited communication bandwidth［C］／／2018 15th International Conference on Control，Automation，Robotics and Vision（ICARCV）.November 18-21，2018，Singapore.IEEE，2018：1874-1878

［11] 邸斌，周銳，丁全心.多無(wú)人機(jī)分布式協(xié)同異構(gòu)任務(wù)分配［J］.控制與決策，2013，28（2）：274-278

DI Bin，ZHOU Rui，DING Quanxin.Distributed coordinated heterogeneous task allocation for unmanned aerial vehicles［J］.Control and Decision，2013，28（2）：274-278

［12] 嵇介曲，朱琨，易暢言，等.多無(wú)人機(jī)輔助移動(dòng)邊緣計(jì)算中的任務(wù)卸載和軌跡優(yōu)化［J］.物聯(lián)網(wǎng)學(xué)報(bào)，2021，5（1）：27-35

JI Jiequ，ZHU Kun，YI Changyan，et al.Joint task offloading and trajectory optimization for multi-UAV assisted mobile edge computing［J］.Chinese Journal on Internet of Things，2021，5（1）：27-35

［13] 陳璞，嚴(yán)飛，劉釗，等.通信約束下異構(gòu)多無(wú)人機(jī)任務(wù)分配方法［J］.航空學(xué)報(bào)，2021，42（8）：306-319

CHEN Pu，YAN Fei，LIU Zhao，et al.Communication-constrained task allocation of heterogeneous UAVs［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2021，42（8）：306-319

［14] 潘楠，劉海石，陳啟用，等.多基地多目標(biāo)無(wú)人機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃算法研究［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，2021，49（2）：49-56

PAN Nan，LIU Haishi，CHEN Qiyong，et al.Study on cooperative mission planning algorithm for multi-base and multi-target UAV［J］.Modern Defense Technology，2021，49（2）：49-56

［15] 蔣碩，袁小平.改進(jìn)PSO算法在多無(wú)人機(jī)協(xié)同任務(wù)分配中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2019，36（11）：3344-3347，3360

JIANG Shuo，YUAN Xiaoping.Application of improved PSO algorithm in multi UAV cooperative task allocation［J］.Application Research of Computers，2019，36（11）：3344-3347，3360

［16] Chen R F，Cui L，Zhang Y L，et al.Delay optimization with FCFS queuing model in mobile edge computing-assisted UAV swarms：a game-theoretic learning approach［C］／／2020 International Conference on Wireless Communications and Signal Processing（WCSP）.October 21-23，2020，Nanjing，China.IEEE，2020：245-250

［17] Buckman N，Choi H L，How J P.Partial replanning for decentralized dynamic task allocation［C］／／AIAA Scitech 2019 Forum.San Diego，California.Reston，Virginia：AIAA，2019.DOI：10.2514／6.2019-0915

［18] 楊婷婷，宋緋，孫有銘，等.面向異構(gòu)無(wú)人機(jī)中繼網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡：一種分層博弈方法［J］.通信技術(shù)，2018，51（11）：2619-2626

YANG Tingting，SONG Fei，SUN Youming，et al.Load balancing in heterogeneous UAV relay network：a Stackelberg game method［J］.Communications Technology，2018，51（11）：2619-2626

［19] Xiao M B，Shroff N B，Chong E K P.A utility-based power-control scheme in wireless cellular systems［J］.IEEE／ACM Transactions on Networking，2003，11（2）：210-221

［20] Sun Y M，Wang J L，Sun F G，et al.Energy-aware joint user scheduling and power control for two-tier femtocell networks：a hierarchical game approach［J］.IEEE Systems Journal，2018，12（3）：2533-2544

Multi-UAV cooperative task allocation for multi-point

reconnaissance and communication service

YAO Changhua1 AN Lei1 LIU Xin2 HAN Guizhen1 GAO Zehe1

1School of Electronics ＆ Information Engineering，Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing 210044

2College of Information Science and Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541006

Abstract Aiming at the collaborative optimization of multi-UAV reconnaissance and communication service for multiple heterogeneous targets，the Stackelberg game model is constructed by considering the mission requirements and target values，as well as the restriction between multi-UAV coordination gain and task behavior.The upper-level drone is established as the leader of the game，while the lower-level drones are established as the followers of the game，and then a distributed strategy update iterative algorithm is proposed，which realizes the stable convergence of the multi-UAV task allocation scheme and the optimization of the task revenue.Simulation results show that the proposed approach can effectively improve the efficiency of multi-UAV systems to complete multiple tasks at the same time，and can achieve efficient collaboration for the values of heterogeneous tasks in different environments.

Key words multi-UAV system;task allocation;Stackelberg game;iterative algorithm