一種多無人機的動態編隊控制方法
2023-05-19 10:10:11 2
專利名稱：一種多無人機的動態編隊控制方法
技術領域：
本發明涉及一種微小型無人飛行器編隊控制，屬於飛行控制技術領域，具體涉及一種多無人機的動態編隊控制方法。
背景技術：
當前已經有多達三十多個國家投入大量人力和財力從事無人機的研究和生產。經過二十年的發展，該項技術已經比較成熟，在軍民各個領域發揮著作用，儘管如此，單架無人機在遂行任務時存在著一些問題，例如單架無人機可能受到傳感器的數量限制，不能從多角度全方位的對目標區域進行觀察，面臨大面積搜索任務時，不能有效的覆蓋整個搜索區域；如果執行的是救援任務，單架無人機在載荷方面受到限制，往往影響整個救援的效能，帶來更大損失，另外，一旦單架無人機出現故障，必須立即中斷任務返回，可能會延誤救援時機。針對單架無人機的缺點，近些年提出了編隊飛行控制的概念並取得了一定得研究成果主要包括隊形設計，氣動耦合、隊形動態調整、航跡協調規劃、移動自組織網絡以及編隊飛行控制方法等。編隊控制方法通常包括基於行為方式的編隊控制、「長機-僚機」方式的編隊控制和虛擬結構方式編隊控制。基於行為方式的編隊控制在多無人機近距編隊飛行過程中，機群中每一架無人機對其傳感器輸入信息的行為相應分成以下四種情況碰撞避免、障礙物迴避、目標獲取和隊形保持。基於行為方式的編隊控制方法的最大特點是藉助於行為響應控制的平均權重來確定編隊中每一架無人機該採用哪一種行為響應方式，但該方法的隊形剛性不夠，往往為鬆散編隊。「長機-僚機」方式的編隊控制這種編隊策略的特點是基於預設的編隊結構，通過對長機的航向速度、航向角和高度跟蹤，來調整僚機，達到保持編隊隊形的目的。由於這種控制結構會受到很大的幹擾影響，因此針對其特點，採用了魯棒控制方法、極值搜索控制方法、自適應控制方法和變結構控制方法等多種技術，這種編隊的缺點是隊形剛性太強，威脅迴避能力不足。虛擬結構方式編隊控制虛擬結構方式一般採取虛擬長機的方法協調其他飛機， 這種方式可以避免「長機-僚機」方式的幹擾問題，但是合成虛擬長機位置和向編隊各無人機傳輸其位置，需要以高通信質量和高計算能力為代價，另外虛擬結構的節點位置固定，避障功能往往很差。除了上述的三種編隊控制方法以外，無人機的編隊控制方法還包括一些其他方式的控制，如MPC模型預測控制策略方法、基於模糊邏輯和神經網絡技術的編隊控制與避障策略方法，這兩種方法控制結構比較複雜，在模糊邏輯和神經網絡權值選取上需要做較多次試驗才能確定，佔用時間較多，且結果不具有普適性
發明內容
本發明的目的是解決便於工程化的微小型無人飛行器編隊控制問題，提出一種多無人機的動態編隊控制方法，針對傳統的虛擬結構方式編隊控制對通信質量要求較高的缺點，引入了基於行為的編隊控制方法，降低了對編隊無線數據鏈更新率的要求，增強了無人機群編隊的避障能力；針對傳統基於行為方式的編隊控制編隊剛性保持不好的缺點，引入了虛擬結構作為參考，通過兩種編隊方法的融合，可以發揮各自方法的優點在保持隊形相對穩定的前提下，增強微小型無人機在未知環境下規避障礙物和威脅的能力，對於無人機群協同低空突防有一定借鑑意義的。且本發明提出的一種多無人機的動態編隊控制方法， 尤其適用於威脅不確定環境下，以往無人機編隊遂行偵查或搜救任務的環境一般是山地或平原，這時的障礙物一般是尺度比較大的自然物(例如山峰)，這樣的障礙物易被數字地圖提取，往往在執行編隊飛行任務前已經裝載在飛控計算機的數字地圖中。而對於城市的偵查和搜救任務，地面情況較為複雜，為保證偵查圖像精度要求編隊飛行高度低，飛行高度較低的無人機易與地面人工障礙物(例如樓群、高壓線塔和電線桿)發生碰撞，而人工障礙物與自然物有很大區別，人工障礙物尺度較小，不易在數字地圖提取，易引發編隊飛行更大的風險。一種多無人機的動態編隊控制方法，其特徵在於包括以下幾個步驟步驟一隊形保持方法；(I)建立地面坐標系XOY ；建立地面坐標系Χ0Υ，其中X軸代表東向位置，Y軸代表北向位置，ML和MF分別表示編隊長機和僚機，^\和分別表示長機和僚機的航跡偏角，MV表示虛擬結構設定的僚機，簡稱為虛擬僚機，L和a分別表示虛擬僚機對長機期望的距離和觀測角，L1和ai分別表示實際僚機對長機的距離和觀測角，存在的通信網絡延遲為AU MVH和Μ 分別表示虛擬僚機和實際僚機在At移動後的位置，MFH表示長機MF在通信網絡延遲At內飛行的剖面距離，MVH表示虛擬僚機MV在通信網絡延遲At內飛行的剖面距離；(2)建立各個關係公式；設定長機和僚機在通信周期內移動距離均為1，根據長機、僚機和虛擬僚機的幾何關係建立長機ML和MVH的位置關係公式
權利要求
1. 一種多無人機的動態編隊控制方法，其特徵在於包括以下幾個步驟步驟一隊形保持方法；(1)建立地面坐標系XOY；建立地面坐標系XOY，其中X軸代表東向位置，Y軸代表北向位置，ML和MF分別表示編 隊長機和僚機，^\和分別表示長機和僚機的航跡偏角，MV表示虛擬結構設定的僚機， 簡稱為虛擬僚機，L和a分別表示虛擬僚機對長機期望的距離和觀測角，k和ai分別表示 實際僚機對長機的距離和觀測角，存在的通信網絡延遲為At，MVH和MH1分別表示虛擬僚 機和實際僚機在At移動後的位置，MH1表示長機MF在通信網絡延遲At內飛行的剖面距 離，MVH表示虛擬僚機MV在通信網絡延遲At內飛行的剖面距離；(2)建立各個關係公式；設定長機和僚機在通信周期內移動距離均為1，根據長機、僚機和虛擬僚機的幾何關係 建立長機ML和MVH的位置關係公式
全文摘要
本發明公開了一種多無人機的動態編隊控制方法，屬於飛行控制技術領域，包括步驟一隊形保持方法；步驟二避障方法；步驟三基於行為的編隊過程，其中基於行為的編隊過程分別為行為分解與控制實現。本發明解決了傳統的虛擬結構方式編隊控制對通信質量要求較高的缺點，引入了基於行為的編隊控制方法，降低了對編隊無線數據鏈更新率的要求，增強了無人機群編隊的避障能力；且本發明針對傳統基於行為方式的編隊控制編隊剛性保持不好的缺點，引入了虛擬結構作為參考。在保持隊形相對穩定的前提下，增強微小型無人機在未知環境下規避障礙物和威脅的能力，對於無人機群協同低空突防有一定借鑑意義的。
文檔編號G05D1/10GK102591358SQ201210088140
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月12日 優先權日2012年3月12日
發明者吳森堂, 孫健, 杜陽, 胡楠希 申請人:北京航空航天大學