一种航空成像设备多执行器的拓扑结构设计方法及装置

1.本发明涉及自动控制领域，具体而言，涉及一种航空成像设备多执行器的拓扑结构设计方法及装置。


背景技术：

2.航空成像装备搭载在各类动基座载体上，可以机动灵活地获取直观的图像信息，广泛应用于灾情防救、地理测绘、精准农业等重要的领域。扫描成像系统中由于存在扫描镜的主动扫描产生像旋、像移等物像运动，必须通过控制成像装备内的各类执行器折转光束提升成像质量。
3.当成像系统中引入多个执行器补偿物像运动时，还需要考虑多个执行器间的信息交互通道及信息交互结构。由于航空工作环境的特殊性，执行器间一般基于性能有限的嵌入式通信模块进行运动信息、控制指令等通信和传输。通信延迟和通信故障不可避免，并且由于航空环境限制，执行器或执行器间通信组件发生通信故障后无法立刻维修，还希望系统能够在部分故障的条件下继续完成成像任务。现有的研究更多的关注控制器本身的设计，缺乏对表征多执行器间信息交互的拓扑结构的考量。现有的多智能体拓扑优化方法一般是通过设定与收敛速度、控制能量等相关的控制性能指标直接求解拓扑结构的数学表达，没有考虑通信延迟和通信故障对拓扑结构的约束，无法直接应用在航空成像装备中的拓扑结构设计中。
4.因此，现有技术还存在缺陷，有待于进一步发展。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种航空成像设备多执行器的拓扑结构设计方法及装置，考虑了通信延迟和通信故障对航空成像执行器拓扑结构的约束，求解出满足所有约束的最优拓扑结构。
6.根据本发明的一实施例，提供了一种航空成像设备多执行器的拓扑结构设计方法，包括以下步骤：
7.预先设置物理参数、拓扑结构设计方法所需参数初值及参数范围，物理参数包括执行器惯量及阻尼，拓扑结构设计方法所需参数初值及参数范围包括各约束阈值初值、各执行器控制参数范围及初值；
8.根据物理参数的数值计算多个执行器的加权邻接矩阵、通信强度、运动矩阵及多个约束，多个约束包括通信强度约束、时间约束、空间约束、通信能量约束及控制能量约束；
9.求解多个执行器约束下最优拓扑结构；
10.输出最终判定为满足要求的最优拓扑结构的约束范围。
11.进一步地，根据物理参数的数值计算多个执行器的加权邻接矩阵、通信强度、运动矩阵及约束具体为：
12.描述各执行器间的信息交互；
13.定义通信延迟和故障概率的加权邻接矩阵权值；
14.定义多个执行器通信强度；
15.定义多个执行器间的运动矩阵；
16.建立航空光电装备成像通信强度约束。
17.进一步地，在建立航空光电装备成像通信强度约束之后还包括：
18.建立航空光电装备的成像时间约束、空间约束、通信能量约束及控制能量约束中的一种或几种。
19.进一步地，描述各执行器间的信息交互具体为：
20.通过多个执行器组成成像装备物像运动补偿网络；
21.各执行器通过运动补偿网络交互。
22.进一步地，在描述各执行器间的信息交互之前还包括：
23.将不同运动尺度、不同运动维度的异构执行器运动方程统一在一个坐标系上。
24.进一步地，求解多个执行器约束下最优拓扑结构具体为：
25.预先设置一个死循环程序用于寻找最优的拓扑结构，死循环程序通过设置一个循环变量作为标志判断是否退出循环，并设置每隔固定时间运行一次循环。
26.进一步地，死循环程序寻找最优的拓扑结构具体包括：
27.选择需要计算的约束阈值；
28.在约束阈值内依次计算单一约束下的拓扑结构范围；
29.在死循环程序内计算不同约束下拓扑结构范围的交集；
30.判断交集中是否包含可以在航空光电装备中实现的拓扑结构；
31.如果包含可以在航空光电装备中实现的拓扑结构，则结束死循环；
32.否则依次在选择的约束阈值范围内动态调整影响拓扑结构的约束阈值，重新在死循环程序内计算不同约束下拓扑结构范围的交集，直至判断交集中包含可以在航空光电装备中实现的拓扑结构。
33.进一步地，在死循环程序通过设置一个循环变量作为标志判断是否退出循环中具体包括：
34.若找出满足要求的拓扑结构，则记录当前拓扑结构参数，通过置位标志位的方式跳出死循环程序；
35.若遍历所有约束阈值的组合后仍未找到满足要求的拓扑结构，则将拓扑结构所有参数置零，通过置位标志位的方式跳出死循环程序。
36.进一步地，在选择的约束阈值范围内动态调整影响拓扑结构的约束阈值具体包括：
37.预先设定一个动态调整单位，当约束阈值不满足要求时，在当前约束阈值的基础上加上或减去动态调整单位，得到另一个用于进下一次循环时的约束阈值。
38.一种航空成像设备多执行器的拓扑结构设计装置，包括：
39.预置单元，用于预先设置物理参数、拓扑结构设计方法所需参数初值及参数范围，物理参数包括执行器惯量及阻尼，拓扑结构设计方法所需参数初值及参数范围包括各约束阈值初值、各执行器控制参数范围及初值；
40.计算单元，用于根据物理参数的数值计算多个执行器的加权邻接矩阵、通信强度、
运动矩阵及约束，多个约束还包括通信强度约束、时间约束、空间约束、通信能量约束及控制能量约束；
41.求解单元，用于求解多个执行器约束下最优拓扑结构；
42.输出单元，用于输出最终判定为满足要求的最优拓扑结构的约束范围。
43.本发明实施例中的航空成像设备多执行器的拓扑结构设计方法及装置，方法包括：预先设置物理参数、拓扑结构设计方法所需参数初值及参数范围，物理参数包括执行器惯量及阻尼，拓扑结构设计方法所需参数初值及参数范围包括各约束阈值初值、各执行器控制参数范围及初值；根据物理参数的数值计算多个执行器的加权邻接矩阵、通信强度、运动矩阵及多个约束，多个约束包括通信强度约束、时间约束、空间约束、通信能量约束及控制能量约束；求解多个执行器约束下最优拓扑结构；输出最终判定为满足要求的最优拓扑结构的约束范围。本技术建立包含通信延时和故障概率的多执行器加权邻接矩阵，并建立多执行器的通信强度约束、时间约束、空间约束、通信能量约束及控制能量约束，求解出满足所有约束的最优拓扑结构。
附图说明
44.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
45.图1为本发明航空成像设备多执行器的拓扑结构设计方法的流程图；
46.图2为本发明遍历约束阈值示意图；
47.图3为本发明航空成像设备多执行器的拓扑结构设计装置的模块图。
具体实施方式
48.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
49.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
50.根据本发明一实施例，提供了一种航空成像设备多执行器的拓扑结构设计方法，参见图1，包括以下步骤：
51.s101：预先设置物理参数、拓扑结构设计方法所需参数初值及参数范围，物理参数包括执行器惯量及阻尼，拓扑结构设计方法所需参数初值及参数范围包括各约束阈值初值、各执行器控制参数范围及初值；
52.s102：根据物理参数的数值计算多个执行器的加权邻接矩阵、通信强度、运动矩阵及多个约束，多个约束包括通信强度约束、时间约束、空间约束、通信能量约束及控制能量约束；
53.s103：求解多个执行器约束下最优拓扑结构；
54.s104：输出最终判定为满足要求的最优拓扑结构的约束范围。
55.本技术建立包含通信延时和故障概率的多执行器加权邻接矩阵，并建立多执行器的通信强度约束、时间约束、空间约束、通信能量约束及控制能量约束，求解出满足所有约束的最优拓扑结构。
56.本发明提供一种航空成像设备多执行器协同控制的拓扑结构设计方法，令航空成像装备中存在n个执行器，其中包括p个转动角度为θi,i＝1,2,..,p的转动执行器，n-p个运动位移为li,i＝p 1,p 2,...,n的平动执行器；方法包括：
57.s201：首先将不同运动尺度、不同运动维度的异构执行器运动方程统一在一个坐标系上，令变换方程为：
[0058][0059]
其中xi为统一后执行器的位置状态，分别为尺度变换矩阵和形态变换矩阵，其具体形式与执行器在成像系统光路中的位置和功能有关。
[0060]
然后根据物理参数的数值计算多个执行器的加权邻接矩阵、通信强度、运动矩阵及约束；具体为：
[0061]
s202：描述各执行器间的信息交互。
[0062]
令gn＝(vn,en,an)表示由n个执行器组成的成像装备物像运动补偿网络，v＝{v1,...,vn}和分别为gn的顶点集和边集。
[0063]
n个执行器的编号为i∈{1,2,...,n}，如果第i个执行器与第j个执行器之间有信息传递，则该节点对有连边，且连边是有向的，即第i个执行器向第j个执行器进行信息传递不代表第j个执行器向第i个执行器进行信息传递。
[0064]
引入图gn的加权邻接矩阵来描述节点与边之间的关系，a中元素的取值如下
[0065][0066]
其中w
ij
为边(vi,vj)的权值。图gn的拉普拉斯矩阵定义为
[0067]
s203：定义通信延迟和故障概率的加权邻接矩阵权值。
[0068]
加权邻接矩阵权值为：
[0069][0070]
其中t
ij
为第j个执行器向第i个执行器进行信息传递的时间延迟；m
ij
＝1表示第j个执行器到第i个执行器之间存在信息传递，m
ij
＝0表示第j个执行器到第i个执行器之间不存在信息传递。
[0071]
p
ij
为第j个执行器向第i个执行器进行信息传递时的故障概率，p
ij
表示为：
[0072]
p
ij
＝σ
ijkij
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0073]
其中σ
ij
为第j个执行器向第i个执行器进行信息传递时的执行器故障因子，σ
ij
＝σiσj,σi＝1,i∈{1,2,...,n}为执行器i工作正常，σi＝0为执行器i失效。
[0074]kij
为第j个执行器向第i个执行器进行信息传递时的通信传感器故障概率因子，k
ij
＝1表示第j个执行器向第i个执行器进行信息传递时通信传感器工作正常，可以将第j个执行器需要传递的信息完整、正确的传递给第i个执行器；0＜k
ij
＜1表示第j个执行器向第i个执行器进行信息传递时通信传感器工作存在故障概率，可能出现传递信息丢码、误码的概率；k
ij
＝0表示第j个执行器向第i个执行器进行信息传递时通信传感器损坏。
[0075]
s204：定义多个执行器通信强度。
[0076]
定义令i
max
＝最大特征值{a}为多执行器拓扑结构的加权邻接矩阵最大特征值，q
max
＝i
max
对应特征向量的归一化值为一个n
×
1维列矩阵，定义q
max
为多执行器通信强度，q
maxi
为第i个执行器获得的相对信息量，且为多执行器系统总信息量。
[0077]
s205：定义多个执行器间的运动矩阵。
[0078]
通过拉普拉斯矩阵l描述信息交互关系的多执行器之间的运动矩阵可以描述为：
[0079][0080]
其中y为由根据公式(1)进行坐标统一后的执行器位置、速度、加速度等运动信息中的一种或几种组成的执行器状态矩阵，为y的微分，h1为与表示执行器间拓扑结构的拉普拉斯矩阵l、执行器控制器、执行器自身惯量、阻尼相关的控制矩阵，执行器自身惯量和阻尼在执行器确定后固定，在设计多执行器拓扑结构时执行器控制器参数为事先确定一组固定的数值，并给出可以微调的范围。
[0081]
s206：建立航空光电装备成像通信强度约束。
[0082]
根据实际航空光电成像原理，定义执行器k为核心执行器，即其获得的信息量最大，则航空光电装备成像通信强度约束为：
[0083]
g1(x,u,a)＝max(q
maxk
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0084]
在建立航空光电装备成像通信强度约束之后还包括：
[0085]
s207：建立航空光电装备的成像时间约束、空间约束、通信能量约束及控制能量约束中的一种或几种；具体为：
[0086]
根据其他成像需求建立与成像性能时间约束、空间约束、通信能量、控制能量相关的多个约束。
[0087]
影响成像效率的物像运动补偿系统收敛时间约束和影响成像清晰度的物像运动
补偿系统协同运动精度的空间约束描述为：
[0088]
g2(x,u,l)＝|x
p
(tf)-xq(tf)|＜σ1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0089]
其中tf为时间约束阈值，σ1为空间约束阈值，x
p
和xq分别为物像运动补偿系统中成像光路的第一个和最后一个执行器的状态。
[0090]
对多执行器拓扑结构连边数的约束，对应为系统通信能量的限制，其数学描述表示为：
[0091]
g3(x,u,l)＝||l||＜σ2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0092]
实际系统对控制能量的约束描述为：
[0093][0094]
其中σ1到σ3为各约束阈值，且每个约束值存在一个如下式所示的可以动态调整的范围，可以根据成像系统实际需求进行动态调整。
[0095]
σ
i_min
＜σi＜σ
i_max (i＝1,2,3)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0096]
s208：在定义各约束后，执行步骤s103：求解多个执行器约束下最优拓扑结构；根据成像需求建立航空光电装备的性能指标。
[0097][0098]
求解满足通信强度约束和其他成像性能约束的拓扑结构。
[0099]
具体地，下面为求解多个执行器约束下最优拓扑结构的具体步骤：
[0100]
步骤一：预先在主函数中定义一个死循环来寻找最优的拓扑结构，死循环利用一个变量作为标志判断是否退出循环，利用定时器每隔固定时间运行一次循环。根据成像需求建立航空光电装备的性能指标。
[0101][0102]
分别选择在公式(10)范围内选择一个约束阈值，然后依次计算单一约束下(i＝1,2,3)的拓扑结构范围ωi(i＝1,2,3)。
[0103]
步骤二：在死循环程序内计算不同约束下拓扑结构范围ωi的交集ω
*
。
[0104]
步骤三：判断ω
*
中是否包含可以在航空光电装备中实现的拓扑结构。
[0105]
步骤四：如果包含则结束死循环；
[0106]
步骤五：如果没有，则依次在公式(10)的约束阈值范围内动态调整影响拓扑结构的约束阈值，重新进行步骤一。
[0107]
进一步地，判断是否结束拓扑结构分析求解，如果通过步骤二找出满足要求的拓扑结构，记录当前拓扑结构参数，通过置位标志位的方式跳出死循环；若遍历所有约束阈值的组合后仍没有找到符合要求的拓扑结构，将拓扑结构所有参数置零，通过置位标志位的方式跳出死循环。若否，则不置位标志位，等待下次定时器中断。
[0108]
进一步地，在约束阈值范围内修改约束阈值时，可以事先设定一个动态调整单位，
当约束阈值不满足要求时，在当前约束阈值基础上加上/减去动态调整单位数值，得到下一次循环时的约束阈值。
[0109]
实施例中，在求解多执行器拓扑结构时，选择处通信强度约束外可以还可以选择时间约束、空间约束、通信能量约束及控制能量约束中的一种或几种，也可以根据具体成像需求约束增加新的约束方法，不影响本文中的航空成像多执行器协同控制的拓扑结构设计方法流程和框架。
[0110]
实施例中，结合图2所示，若在固定的多执行器控制参数下没有找到符合要求的拓扑结构，则可以在设定的执行器控制器参数范围内通过调整公式(5)中执行器控制器参数，然后重复步骤s203-s208步骤。
[0111]
参见图1，根据本发明另一实施例，提供一种航空成像设备多执行器的拓扑结构设计装置，包括：
[0112]
预置单元100，用于预先设置物理参数、拓扑结构设计方法所需参数初值及参数范围，物理参数包括执行器惯量及阻尼，拓扑结构设计方法所需参数初值及参数范围包括各约束阈值初值、各执行器控制参数范围及初值；
[0113]
计算单元200，用于根据物理参数的数值计算多个执行器的加权邻接矩阵、通信强度、运动矩阵及约束，多个约束还包括通信强度约束、时间约束、空间约束、通信能量约束及控制能量约束。
[0114]
具体地，通过上述步骤s201-s207计算多个执行器的加权邻接矩阵、通信强度、运动矩阵及约束。
[0115]
求解单元300，用于求解多个执行器约束下最优拓扑结构。
[0116]
在定义各约束后，通过执行上述方法步骤s103：求解多个执行器约束下最优拓扑结构；根据成像需求建立航空光电装备的性能指标，求解满足通信强度约束和其他成像性能约束的拓扑结构。
[0117]
输出单元400，用于输出最终判定为满足要求的最优拓扑结构的约束范围。
[0118]
本技术建立包含通信延时和故障概率的多执行器加权邻接矩阵，并建立多执行器的通信强度约束、时间约束、空间约束、通信能量约束及控制能量约束，求解出满足所有约束的最优拓扑结构。
[0119]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。