[发明专利]一种基于透光性假说的飞行器密集自主编队控制方法

说明书

技术领域

本发明属于无人飞行器自主编队控制技术领域，具体来说是一种用于无人飞行器的密集自主编队控制方法。

背景技术

在多飞行器密集编队的情况下，飞行器与飞行器之间的距离接近最小安全距离，并且对于编队中的某一特定飞行器而言，因为其周围分布有其它飞行器，缺乏自由运动空间，这使得该飞行器的避碰机动（例如规避邻近飞行器由于各种随机干扰或某些突发情况或故障产生的非期望运动）比松散或紧密编队情况下更加困难和复杂，这也是密集编队情况下编队控制系统需要考虑的问题。另一方面，由于飞行器有效载荷的限制与成本控制，使得其不便于增加额外的防碰撞设备，但在网络化自主编队飞行的大背景下，要求飞行器均装备有组网通信模块，飞行器之间能够利用编队数据链互联互通，进行相关信息的实时共享，这使得通过编队数据链进行密集编队防碰撞控制成为可能。

现阶段编队控制中的防碰撞方法研究，常见于多地面机器人编队系统、多卫星编队系统、多舰船编队系统、多无人机编队系统和多智能体编队系统等领域，本质上所有群体防碰撞方法都源于个体间距离的控制，目前主要的防碰撞方法有以下几种：

（1）基于规划或调度的防碰撞方法：安全距离是这样一种距离，在节点间或节点和威胁间的间距小于它的时候，节点需要主动采取措施。对于松散编队，常采用航迹规划或调度规划（常见于空中交通管制和地面机器人编队）的方法防碰撞，这种方法可以总结为通过规划使节点在空间域和时间域上具有排斥性，即确保同一时间邻域内的节点不在同一空间邻域内，而同一空间邻域内的节点不在同一时间邻域内，这种规划通常是离线的、集中式的，并且往往不需要编队进行队形上的保持，即使需要进行队形上的保持，因为节点间距的尺度远大于最小安全距离，所以节点的信息不确定性、复杂机动、非期望机动等这些因素会被大尺度相对距离下的编队运动系统过滤掉，致使在松散编队情况下节点间的防碰撞问题并不突出，往往通过离线的规划调度进行避免，在线的防碰撞压力不大，在这个角度上讲，也可以认为松散编队在某种意义上是通过设置远大于安全距离的节点间距来实现防碰撞的。

（2）基于虚拟力的防碰撞方法：基于虚拟力的方法源自Reynolds的动物群体行为模型，设计虚拟力或势场（排斥、保持、吸引）和距离的函数关系，在编队运动中，当其它节点或威胁进入某节点的探测范围的时候，该节点便根据间距计算这个虚拟力，然后转化为控制量，可以应用在队形的保持上，也可应用在防碰撞上。

（3）基于调整高度的防碰撞方法：调整飞行高度的方法是一种简单实用的方法，当编队节点在某一维度内产生碰撞威胁的时候向另一维度规避，比如在研究无人机分散化编队飞行控制方法的过程中，假定无人机可以通过调整相对飞行高度来自主进行避碰机动，从而使编队飞行控制问题得到简化。但在多飞行器密集编队低空突防的时候，为了降低被探测的概率，更好的利用地面杂波反射和地球曲率，节点往往没有这种高度上的自由空间，又或者在其头上有其它的节点（三维情况下的密集编队），总之这种方法的前提是节点必须拥有这样的自由维度。

在飞行器进行密集自主编队时，以上编队方法难以较好地解决信息不确定性、复杂机动、非期望机动等所引起的飞行器的防碰撞问题，需要设计新的编队控制方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有多飞行器编队技术难于降低飞行器密集编队时的碰撞概率的问题，提出一种基于透光性假说的飞行器密集自主编队控制方法。本发明在研究群体防碰撞问题的基础之上，分析密集群体防碰撞的特殊性，根据自然界中动物的群体行为提出密集群体防碰撞机理的透光性假说，建立了该假说的模型即透光性生成协议；并把透光性假说和现有的其它假说一起与模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）编队控制器相结合，提出了编队局部预测模型，设计了基于仿生的密集编队局部模型预测控制器（Local MPC,LMPC编队控制器）；将LMPC编队控制器和透光系数相结合，给出令各节点遵循透光性假说的原理进行碰撞规避行为的一个实现算法（即透光规避算法），有效地降低了密集编队情况下的碰撞概率。

本发明提供的基于透光性假说的飞行器密集自主编队控制方法，具体实现步骤如下：

第一步，建立透光性生成协议。