一種基於小型鳥類集群飛行機制的無人機編隊方法與流程
2023-05-08 16:52:46 3
本發明是一種基於小型鳥類集群飛行機制的無人機編隊方法，屬於無人機自主控制領域。
二、
背景技術：
無人機集群技術近來成為熱門研究領域，一方面源於無人機實踐應用中的需求，任務愈加複雜多樣，對單體無人機的性能要求不斷提高。偵查無人機在單一任務中可能需要攜帶可見光、紅外、熱成像、超聲波、雷射等多種傳感器載荷，在複雜的地形中隱蔽搜索；運輸無人機可能要穿越面積廣闊的無人區，需要具備長航程、長航時和高可靠性；作戰無人機需要攜帶大量任務載荷，如多種武器彈藥，同時需要實時判讀戰場環境信息，動態進行任務重規劃，對機載任務處理器的要求非常高。
另一方面因為單體無人機技術遇到瓶頸，預見短時期內難以取得突破性進展。傳感器尺寸難以進一步縮小，異種傳感器集成化困難，導致高性能多傳感器偵查無人機的體積較大，不利於隱蔽；電池或者化石燃料的能量密度無法大幅提高，單架無人機要想提高航程主要依賴削減冗餘重量，但減重不解決根本問題；當前人工智慧水平有限，單體無人機任務越複雜，可靠性越低。
相比於發展大型複雜的單體無人機，使用小型簡易多無人機編隊來完成任務成為一種可行選擇。對於偵察任務，將多種多個載荷分布到不同無人機上，組織傳感器網絡，可以減小尺寸，隱蔽偵查；對於運輸任務，採用多機接力，分散搬運方式實現長途運輸；對於打擊任務，將彈藥、任務分配到多無人機上，採用分布式架構的多機集群方案，每架無人機只需要執行相對簡單的子任務，降低處理器運算能力需求，提高可靠性。
多無人機執行任務，首先要滿足有序飛行條件，解決無人機編隊問題。考慮到無人機群數量龐大，可能達到數百數千量級，傳統的編隊方法難以奏效。當前無人機自主編隊方法主要包括：長機僚機法、虛擬結構法、人工勢場法和基於行為方法。長機僚機法簡單易行，長機獲取編隊方位與目標坐標，率領編隊飛行，僚機只需跟隨長機，與之保持固定隊型；但該方法對長機依賴程度高，一旦長機失效，編隊解體。虛擬結構法假設一個剛體在空間中運動，剛體的各個頂點是無人機的跟蹤目標；但在轉彎時，不同位置無人機運動路徑長短不同，還可能出現繞圈現象。人工勢場法假設每架無人機四周存在依賴於距離的引力、斥力場，相鄰飛機按間距不同收到引力或斥力的作用，通過合理設計勢場種類、形狀、參數實現穩定編隊。基於行為的方法將無人機的運動抽象為少數簡單的行為，如平飛、左轉、右轉等，無人機通過評估當前的運動狀態，得出下一步採取的行為，以期保持編隊構型；基於該方法的編隊穩定性與運動狀態收斂性難以得到保證，如何從當前狀態計算出下一步行為，這涉及到有限狀態機的設計問題，目前沒有統一的方案。
自然界中的鳥群飛行給人以啟發，小型社會性鳥類，如鴿子、歐椋鳥，常構成成百上千的鳥群，飛行時遮天蔽日，蔚為壯觀。鳥群雖然形狀多變，但緻密有序，飛行時方向高度一致，轉彎爬升俯衝靈活，個體不會碰撞，其背後蘊含的規則值得借鑑，將其運用到無人機編隊中來。
國外動物行為學者對鴿子、歐椋鳥進行了多年的觀察，並總結出了一些鳥群行為機制。Nagy研究鴿群內部動力學，提出一種多層級的領導跟隨模型。Akos觀察發現速度決定領導關係，飛行慢的鴿子會主動跟隨快的鴿子，這是因為快鴿子往往是年富力強、生存經驗豐富的個體，第一時間發現食物或躲避危險。Cavagna發現歐椋鳥群中存在一種無視距離的信息傳輸機制，無論個體間距大小，部分信息總能快速傳遞。Lukeman建立了鴿群模型，將鴿子之間的相互作用抽象為近程斥力、中程隊列力、遠程引力和前向作用力，並且其賦值比例約為100:10:10:1。Cisbani觀察歐椋鳥的集群行為，認為歐椋鳥的信息傳遞依賴於拓撲距離而非幾何距離，一隻歐椋鳥與6到7隻鄰居保持固定通信關係，無視遠近。Yomosa觀察了鴿群轉彎行為，提出了兩種轉彎機制，平行轉彎與等半徑轉彎，平行轉彎指鴿群保持平飛時的固定隊型轉彎，等半徑轉彎指解散隊形，個體選擇相同半徑，在同一方向自行確定圓心，分散轉彎，這一方式在規避捕食等緊急情況時較為常見。這些研究基礎為本專利所提出的無人機編隊方法提供了理論依據與背景。
三、
技術實現要素：
1、發明目的：
本發明提出一種基於小型鳥類集群飛行機制的無人機編隊方法，其目的是設計用於維持多無人機構型的編隊控制器，引導編隊飛向指定路徑點的制導器和依據飛行狀態切換運動模式的選擇器，實現多機編隊協調飛行。
該方法採用質點模型描述無人機的運動，仿照鴿子、歐椋鳥集群運動模型，為每架無人機設計編隊控制力，分為基於拓撲距離的隊形保持力和基於幾何距離的安全作用力，每架無人機同時受到兩種力。通過仿真得到理想的編隊航跡，驗證本發明的有效性。
2、技術方案：
本發明提出的多無人機編隊方法適應性較好，為解決小型無人機大規模集群編隊提供一種可行技術手段，其主要實施步驟如下。
步驟一：設計基於鳥群層級結構的無人機通信網絡
因為每架無人機對環境的感知能力有限，需要多機構成傳感器網絡增強感知能力，獲得必要的編隊信息。
無人機集群採用三層「領導-中繼-跟隨」結構。領導層無人機負責匯總編隊內所有無人機運動狀態，並做出決策，如計算下一步的飛行方向與速度，會參考中繼層、跟隨層個體的狀態，當中繼層無人機速度較慢時，領導層無人機同樣會減速，保持構型；反之加速。中繼層個體在集群運動時，圍繞在領導個體周圍，實時探測領導個體行為，並調整自身狀態與其保持一致。「領導-中繼」之間採用雙向通信。跟隨層無人機參考中繼層，計算下一時刻自身的運動狀態，「中繼-跟隨」同樣採用雙向通信。外部信息經由基於鳥群層級結構的無人機通信拓撲，從領導層傳向中繼層，最終傳遞到跟隨層。該通信網絡基於拓撲距離，即無人機保持固定的通信關係，不受實際間距影響。該設計使得無人機編隊具備較強的環境適應性，如需要急轉彎時，可以避免由速度差異過大，導致無人機間距超過鄰域通信距離，鄰居間通信失效，編隊解體的問題。
步驟二：設計基於鳥群覓食行為的編隊導航器
鳥群在覓食時，一些經驗豐富，感覺敏銳的個體會第一時間發現食物，並朝之飛行，這些個體便充當領導層；剩餘成員只需要跟隨領導，就可以獲取食物，成為中繼或跟隨層。
採用雙積分動力學描述編隊中無人機個體的運動，無人機受力得到加速度，加速度積分得到速度，二次積分得到位置增量。
其中是導航力，模擬食物源對鳥的吸引，對於無人機，則用目的地代替食物源，吸引無人機飛向指定位置。是社會力，模擬鳥群中鄰居個體保持間距和協調速度的效果。此處將無人機質量取為1，這是從鳥群模型繼承而來的，因為不同鳥類個體質量不同，建模統一刻畫鳥群行為時忽略其質量。
由距離誤差a和速度反饋v構成，代表無人機的目標位置，x是其當前位置，二者距離誤差越大，產生的加速度越大，驅動無人機加速飛行。速度反饋v用於增大二階系統阻尼比，產生滿足系統穩定條件的控制力，γ是速度反饋係數，一般取值為2。
領導層無人機的距離誤差項與中繼、跟隨層不同，差異在於縮放係數，領導層無人機受目的地吸引，速度較快，中繼、跟隨層無人機相比之下，速度較小，需要協調兩種速度。採用縮放係數kslow，領導層個體距離目的地越遠，該係數越小，領導層收到的目的地吸引力越小，同時中繼、跟隨層受到的吸引力越大，加速跟蹤領導層無人機。
其中dis是領導層個體實際位置與期望位置的距離差，是領導無人機位置，是中繼層無人機平均位置，表示中繼層無人機平均速度方向，L是領導無人機超前中繼無人機的期望距離，如附圖3所示。
步驟三：設計基於鳥群鄰居交互行為的編隊控制器
基於鳥群鄰居交互行為的編隊控制器服從基於幾何距離的通信關係，依據兩架無人機的間距大小和夾角，兩者之間存在斥力、隊列力、引力或者前向作用力。
其中是基於鳥群鄰居交互行為的編隊控制力，其由四項單位力構成，即力的幅值為1，但方向各異；力的大小由對應係數ωsep、ωali、ωatt、ωfront。編隊控制力各項列舉如下，
第i架無人機收到的引力採用高斯力形式，rsep是斥力最遠距離，是編隊中第i架無人機位置，是第j架無人機位置，||.||代表2範數。引力方向從無人機j指向i，作用區域是以無人機縱軸為中線，夾角大於30度，距離小於rsep的扇形區域，如附圖1中A區域所示。
表示第i架無人機受到的隊列力，表示無人機i的速度方向，是無人機j的速度方向，rali是隊列力作用半徑。隊列力修正無人機i的速度方向，使之與無人機j方向一致。其作用域位是距離無人機irsep到rali，夾角大於30度的扇環內，如附圖1中B區域所示。
表示無人機i受到的吸引力，從無人機i指向無人機j，吸引i向j靠攏。ratt是吸引力作用半徑。吸引力作用域是距離無人機irali到ratt，夾角大於30度的扇環，如附圖1中C區域所示。
表示無人機i受到的前向作用力，ratt是前向作用力的半徑。前向作用力分為前向引力和前向斥力，rmid是二者分界線，前者吸引鄰居無人機j飛向無人機i，後者將i推離j。前向作用力的作用域是與無人機縱軸夾角30度的扇形，如附圖1中D、E區域所示。
基於鳥群鄰居交互行為的編隊控制力基於距離的控制力，包括引力、斥力和前向作用力，因為隊列力與距離無關，只依賴於鄰居速度。附圖1是二維平面圖。無人機i最外側與最內側受力最大，這兩個區域最不穩定，與無人機縱軸夾角大於30度的相鄰無人機在編隊力的作用下調整位置，最終落在隊列力作用區域。在隊列力作用下，速度趨於一致，實現雷納德集群三原則：吸引、分離、列隊，這是形成穩定編隊構型的基礎。夾角小於30度的無人機會落在前向引力、前向斥力的分界線處，該位置處兩種力大小相等方向相反，是穩定位置。
步驟四：基於鳥群行為的飛行模式切換器
本發明提出的基於小型鳥類集群飛行策略的無人機編隊方法包含三種飛行模式：平飛、等半徑轉彎和編隊重構。平飛模式用於編隊巡航，要求無人機俯仰角、滾轉角保持為零，穩定飛行，期間執行任務。
當下一個目的地與當前編隊飛行方向夾角超過45度時，進入等半徑轉彎模式；否則維持平飛，進行小幅度轉彎。等半徑轉彎來源於歐椋鳥群躲避捕食的應急行為，歐椋鳥獲得使能信號後，群體協商得出相同的轉彎半徑R，每隻歐椋鳥以自身當前位置為起始點，在當前速度的法方向上截取長度R，終點即為轉彎圓心，繞此圓心以相同角速度劃弧(轉彎超過45度)，得出等半徑轉彎軌跡。該模式會暫時解散編隊構型，相應的益處是增大轉彎的靈活性，每架無人機不受目標位置的約束，此時基於鳥群覓食行為的編隊導航器不起作用，但設計基於鳥群鄰居交互行為的編隊控制器仍然工作，將多機間距控制在合理範圍內，避免無人機過於分散，為編隊重構提供方便。
編隊重構模式起到過渡作用，從等半徑轉彎模式恢復到平飛模式，重建原先編隊構型。當每架無人機結束轉彎後，維持自身速度方向不變，調整速度大小。當領導無人機落後於中繼層無人機時，領導無人機以二倍速度平飛，中繼無人機速度折半，當領導無人機在前進方向上超過所有中繼無人機後，認為重構模式結束，多無人機恢復到原穩定構型，進入平飛模式。
3、優點及效果：
本發明提出一種基於小型鳥類集群飛行策略的無人機編隊方法，其目的是實現數十乃至數百架小型無人機有序編隊飛行。本方法涵蓋了集群編隊控制、編隊航路規劃、編隊重構的功能，模擬鴿子、歐椋鳥群體基於拓撲距離與幾何距離鄰居交互機制，用於多無人機通信。本發明不依賴於特定環境，面對不同任務均表現出較強的適應性與有效性。
四、附圖說明
圖1為基於鳥群鄰居交互行為的編隊控制力作用域。
圖2為5架無人機編隊任務想定。
圖3為5架無人機編隊構型與通信網絡示意圖。
圖4為基於小型鳥類集群飛行策略的5架無人機編隊飛行航跡。
圖5為本發明方法整體流程圖。
圖中標號及符號說明如下：
A編隊引力作用域
B編隊隊列力作用域
C編隊斥力作用域
D編隊前向引力作用域
E編隊前向斥力作用域
L編隊領導層與中繼層無人機期望間距
五、具體實施方式
下面通過一個具體的實例來驗證本發明所提出的設計方法的有效性。5架無人機編隊執行巡邏任務，圍繞一個300m×300m的正方形區域逆時針環形一周，任務示意圖如附圖2所示。每架無人機攜帶小範圍探測裝置，可以探測以自身位置為圓心，半徑20米的圓形區域，因此無人機編隊中只要有一架距離某個路徑點小於20米，則認為經過該路徑點，而無需嚴格飛過該點。編隊構型為倒V字形，尖角指向飛行方向，頂角為30度，相鄰無人機間距為3.75米，構型示意圖如附圖3所示。考慮到無人機實際性能，其最大飛行速度限制在5米/秒以內。實驗計算機配置為intel i7-6700處理器，3.40G hz主頻，8G內存，軟體為MATLAB 2012b版本。
如圖5所示，本實例的具體實踐步驟如下：
步驟一：設計基於鳥群層級結構的無人機通信網絡
本實例中的無人機編隊採用三層「領導-中繼-跟隨」結構，領導層無人機模擬鳥群中的領導者，是其他個體行動的參照對象。中繼層個體在集群運動時，圍繞在領導個體周圍，實時觀察領導個體行為，並調整自身狀態與其保持一致。「領導-中繼」之間採用雙向通信，中繼第一時間獲取領導的動態，同時領導在做出決策時，如計算下一步的飛行方向與速度，會參考中繼層個體的狀態。這起到反饋的效果，領導層無人機同樣是編隊的一部分，不應脫離群體，當中繼層無人機速度較慢時，領導層無人機同樣會減速，保持構型；反之加速。跟隨層無人機參考中繼層，計算下一時刻自身的運動狀態，「中繼-跟隨」同樣採用雙向通信。外部信息經由基於鳥群層級結構的無人機通信拓撲，從領導層傳向中繼層，最終傳遞到跟隨層，模擬鳥群機制實現無人機編隊對外部信息感知。該通信網絡基於拓撲距離，即無人機保持固定的通信關係，不受實際間距影響。本實例的無人機通信關係如附圖3中黑色實線箭頭所示，箭頭從無人機1指向無人機2代表1向2發數。在編隊中，無人機1充當領導，無人機2、5作為中繼，無人機3、4是底層的跟隨者，「領導-中繼」、「中繼-跟隨」之間均採用雙向通信，如無人機1、2可以互相收發數據。
步驟二：設計基於鳥群覓食行為的編隊導航器
本實例採用雙積分動力學描述編隊中無人機個體的運動，無人機受力得到加速度，加速度積分得到速度，二次積分得到位置增量。
其中是導航力，對於無人機編隊，依次用5個路徑點代表目的地，吸引無人機飛向指定位置起始點坐標為(0,0)，五個路徑點依次為(150,0)、(150,150)、(-150,150)、(-150,0)、(0,0)。是社會力，模擬鳥群中鄰居個體保持間距和協調速度的效果。此處將無人機質量取為1，這是從鳥群模型繼承而來的，因為不同鳥類個體質量不同，建模統一刻畫鳥群行為時忽略其質量。
由距離誤差a和速度反饋v構成，代表無人機的目標位置，x是其當前位置，二者距離誤差越大，產生的加速度越大，驅動無人機加速飛行。速度反饋v用於增大二階系統阻尼比，產生滿足系統穩定條件的控制力，γ是速度反饋係數，本實例中取值為2。
領導層無人機的距離誤差項與中繼、跟隨層不同，差異在於縮放係數，領導層無人機受目的地吸引，速度較快，中繼、跟隨層無人機相比之下，速度較小，需要協調兩種速度。採用縮放係數kslow，領導層個體距離目的地越遠，該係數越小，領導層收到的目的地吸引力越小，同時中繼、跟隨層受到的吸引力越大，加速跟蹤領導層無人機。
其中dis是領導層無人機1實際位置與期望位置的距離差，是領導無人機位置，是中繼層無人機平均位置，表示中繼層無人機平均速度方向，L是領導無人機超前中繼無人機的期望距離，如附圖3所示。
步驟三：設計基於鳥群鄰居交互行為的編隊控制器
基於鳥群鄰居交互行為的編隊控制器服從基於幾何距離的通信關係，依據兩架無人機的間距大小和夾角，兩者之間存在斥力、隊列力、引力或者前向作用力。
其中是基於鳥群鄰居交互行為的編隊控制力，其由四項單位力構成，即力的幅值為1，但方向各異；力的大小由對應係數ωsep、ωali、ωatt、ωfront。編隊力各項確定列舉如下，
第i架無人機收到的引力採用高斯力形式，rsep是斥力最遠距離，是編隊中第i架無人機位置，是第j架無人機位置，||.||代表2範數。引力方向從無人機j指向i，作用區域是以無人機縱軸為中線，夾角大於30度，距離小於rsep的扇形區域，如附圖1中A區域所示。
表示第i架無人機受到的隊列力，表示無人機i的速度方向，是無人機j的速度方向，rali是隊列力作用半徑。隊列力修正無人機i的速度方向，使之與無人機j方向一致。其作用域位是距離無人機i rsep到rali，夾角大於30度的扇環內，如附圖1中B區域所示。
表示無人機i受到的吸引力，從無人機i指向無人機j，吸引i向j靠攏。ratt是吸引力作用半徑。吸引力作用域是距離無人機irali到ratt，夾角大於30度的扇環，如附圖1中C區域所示。
表示無人機i受到的前向作用力，ratt是前向作用力的半徑。前向作用力分為前向引力和前向斥力，rmid是二者分界線，前者吸引鄰居無人機j飛向無人機i，後者將i推離j。前向作用力的作用域是與無人機縱軸夾角30度的扇形，如附圖1中D、E區域所示。
步驟四：基於鳥群行為的飛行模式切換器
本實例驗證的基於小型鳥類集群飛行策略的無人機編隊方法包含三種飛行模式：平飛、等半徑轉彎和編隊重構。平飛模式用於編隊巡航，要求無人機俯仰角、滾轉角保持為零，穩定飛行，期間執行任務。
當下一個目的地與當前編隊飛行方向夾角為90度時，進入等半徑轉彎模式，等半徑轉彎來源於歐椋鳥群躲避捕食的應急行為。無人機獲得使能信號後，由領導無人機1確定公共的的轉彎半徑R，本實例中取R＝37.5米。每架無人機以自身當前位置為起始點，在當前速度的法方向上截取長度R，終點即為轉彎圓心，繞此圓心以相同角速度劃弧，轉彎90度，得出等半徑轉彎軌跡。該模式會暫時解散編隊構型，相應的益處是增大轉彎的靈活性，每架無人機不受目標位置的約束，此時基於鳥群覓食行為的編隊導航器不起作用，但設計基於鳥群鄰居交互行為的編隊控制器仍然工作，將多機間距控制在合理範圍內，避免無人機過於分散，為編隊重構提供方便。
編隊重構模式起到過渡作用，從等半徑轉彎模式恢復到平飛模式，重建原先編隊構型。當每架無人機結束轉彎後，維持自身速度方向不變，調整速度大小。當領導無人機落後於中繼層無人機時，領導無人機以2倍速度平飛，中繼無人機速度減為0.5倍，當領導無人機在前進方向上超過所有中繼無人機後，認為重構模式結束，多無人機恢復到原穩定構型，進入平飛模式。
當無人機編隊回到(0,0)原點時，編隊巡邏任務結束，編隊航跡如附圖4所示，5架無人機在直線航跡段採用編隊平飛模式，保持倒V字形構型前飛。當接近四角轉彎路徑點時，編隊解散進入等半徑轉彎模式，5架無人機平滑轉彎，飛行方向逆時針偏轉90度。切換到編隊重構模式，此時領導無人機1保持航向，加速飛行，與中繼無人機2、5拉開距離差，還原編隊構型；無人機2、5保持航向，減速飛行。當無人機1在速度方向上領先於無人機2、5時，結束重構模式，恢復平飛。從仿真結果中可以看出，基於小型鳥類集群飛行策略的無人機編隊方法較好地實現了5架無人機編隊巡邏任務，整體性能達到設計要求。