[发明专利]一种多无人机的动态编队控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微小型无人飞行器编队控制，属于飞行控制技术领域，具体涉及一种多无人机的动态编队控制方法。

背景技术

当前已经有多达三十多个国家投入大量人力和财力从事无人机的研究和生产。经过二十年的发展，该项技术已经比较成熟，在军民各个领域发挥着作用，尽管如此，单架无人机在遂行任务时存在着一些问题，例如单架无人机可能受到传感器的数量限制，不能从多角度全方位的对目标区域进行观察，面临大面积搜索任务时，不能有效的覆盖整个搜索区域；如果执行的是救援任务，单架无人机在载荷方面受到限制，往往影响整个救援的效能，带来更大损失，另外，一旦单架无人机出现故障，必须立即中断任务返回，可能会延误救援时机。

针对单架无人机的缺点，近些年提出了编队飞行控制的概念并取得了一定得研究成果主要包括：队形设计，气动耦合、队形动态调整、航迹协调规划、移动自组织网络以及编队飞行控制方法等。编队控制方法通常包括基于行为方式的编队控制、“长机-僚机”方式的编队控制和虚拟结构方式编队控制。

基于行为方式的编队控制：在多无人机近距编队飞行过程中，机群中每一架无人机对其传感器输入信息的行为相应分成以下四种情况：碰撞避免、障碍物回避、目标获取和队形保持。基于行为方式的编队控制方法的最大特点是借助于行为响应控制的平均权重来确定编队中每一架无人机该采用哪一种行为响应方式，但该方法的队形刚性不够，往往为松散编队。

“长机-僚机”方式的编队控制：这种编队策略的特点是基于预设的编队结构，通过对长机的航向速度、航向角和高度跟踪，来调整僚机，达到保持编队队形的目的。由于这种控制结构会受到很大的干扰影响，因此针对其特点，采用了鲁棒控制方法、极值搜索控制方法、自适应控制方法和变结构控制方法等多种技术，这种编队的缺点是队形刚性太强，威胁回避能力不足。

虚拟结构方式编队控制：虚拟结构方式一般采取虚拟长机的方法协调其他飞机，这种方式可以避免“长机-僚机”方式的干扰问题，但是合成虚拟长机位置和向编队各无人机传输其位置，需要以高通信质量和高计算能力为代价，另外虚拟结构的节点位置固定，避障功能往往很差。

除了上述的三种编队控制方法以外，无人机的编队控制方法还包括一些其他方式的控制，如MPC模型预测控制策略方法、基于模糊逻辑和神经网络技术的编队控制与避障策略方法，这两种方法控制结构比较复杂，在模糊逻辑和神经网络权值选取上需要做较多次试验才能确定，占用时间较多，且结果不具有普适性。

发明内容

本发明的目的是解决便于工程化的微小型无人飞行器编队控制问题，提出一种多无人机的动态编队控制方法，针对传统的虚拟结构方式编队控制对通信质量要求较高的缺点，引入了基于行为的编队控制方法，降低了对编队无线数据链更新率的要求，增强了无人机群编队的避障能力；针对传统基于行为方式的编队控制编队刚性保持不好的缺点，引入了虚拟结构作为参考，通过两种编队方法的融合，可以发挥各自方法的优点：在保持队形相对稳定的前提下，增强微小型无人机在未知环境下规避障碍物和威胁的能力，对于无人机群协同低空突防有一定借鉴意义的。且本发明提出的一种多无人机的动态编队控制方法，尤其适用于威胁不确定环境下，以往无人机编队遂行侦查或搜救任务的环境一般是山地或平原，这时的障碍物一般是尺度比较大的自然物(例如山峰)，这样的障碍物易被数字地图提取，往往在执行编队飞行任务前已经装载在飞控计算机的数字地图中。而对于城市的侦查和搜救任务，地面情况较为复杂，为保证侦查图像精度要求编队飞行高度低，飞行高度较低的无人机易与地面人工障碍物(例如楼群、高压线塔和电线杆)发生碰撞，而人工障碍物与自然物有很大区别，人工障碍物尺度较小，不易在数字地图提取，易引发编队飞行更大的风险。

一种多无人机的动态编队控制方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

步骤一：队形保持方法；

(1)建立地面坐标系XOY；

建立地面坐标系XOY，其中X轴代表东向位置，Y轴代表北向位置，ML和MF分别表示编队长机和僚机，Ψ_L和Ψ_F分别表示长机和僚机的航迹偏角，MV表示虚拟结构设定的僚机，简称为虚拟僚机，L和a分别表示虚拟僚机对长机期望的距离和观测角，L_l和a_l分别表示实际僚机对长机的距离和观测角，存在的通信网络延迟为Δt，MVH和MFH分别表示虚拟僚机和实际僚机在Δt移动后的位置，MFH表示长机MF在通信网络延迟Δt内飞行的剖面距离，MVH表示虚拟僚机MV在通信网络延迟Δt内飞行的剖面距离；