[发明专利]一种基于小型鸟类集群飞行机制的无人机编队方法有效

专利信息
申请号: 201710047438.9 申请日: 2017-01-22
公开(公告)号: CN106843269B 公开(公告)日: 2019-05-31
发明(设计)人: 段海滨;张天捷 申请(专利权)人: 北京航空航天大学
主分类号: G05D1/10 分类号: G05D1/10
代理公司: 北京慧泉知识产权代理有限公司 11232 代理人: 王顺荣;唐爱华
地址: 100191*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 小型 鸟类 集群 飞行 机制 无人机 编队 方法
【说明书】:

发明是一种基于小型鸟类集群飞行机制的无人机编队方法,其实施步骤为:步骤一:设计基于鸟群层级结构的无人机通信网络;步骤二:设计基于鸟群觅食行为的编队导航器;步骤三:设计基于鸟群邻居交互行为的编队控制器;步骤四:基于鸟群行为的飞行模式切换器。该方法可实现稳定的多无人机编队构型,适应不同任务环境,为解决小型无人机大规模集群编队提供一种可行技术手段。

一、技术领域

本发明是一种基于小型鸟类集群飞行机制的无人机编队方法,属于无人机自主控制领域。

二、背景技术

无人机集群技术近来成为热门研究领域,一方面源于无人机实践应用中的需求,任务愈加复杂多样,对单体无人机的性能要求不断提高。侦查无人机在单一任务中可能需要携带可见光、红外、热成像、超声波、激光等多种传感器载荷,在复杂的地形中隐蔽搜索;运输无人机可能要穿越面积广阔的无人区,需要具备长航程、长航时和高可靠性;作战无人机需要携带大量任务载荷,如多种武器弹药,同时需要实时判读战场环境信息,动态进行任务重规划,对机载任务处理器的要求非常高。

另一方面因为单体无人机技术遇到瓶颈,预见短时期内难以取得突破性进展。传感器尺寸难以进一步缩小,异种传感器集成化困难,导致高性能多传感器侦查无人机的体积较大,不利于隐蔽;电池或者化石燃料的能量密度无法大幅提高,单架无人机要想提高航程主要依赖削减冗余重量,但减重不解决根本问题;当前人工智能水平有限,单体无人机任务越复杂,可靠性越低。

相比于发展大型复杂的单体无人机,使用小型简易多无人机编队来完成任务成为一种可行选择。对于侦察任务,将多种多个载荷分布到不同无人机上,组织传感器网络,可以减小尺寸,隐蔽侦查;对于运输任务,采用多机接力,分散搬运方式实现长途运输;对于打击任务,将弹药、任务分配到多无人机上,采用分布式架构的多机集群方案,每架无人机只需要执行相对简单的子任务,降低处理器运算能力需求,提高可靠性。

多无人机执行任务,首先要满足有序飞行条件,解决无人机编队问题。考虑到无人机群数量庞大,可能达到数百数千量级,传统的编队方法难以奏效。当前无人机自主编队方法主要包括:长机僚机法、虚拟结构法、人工势场法和基于行为方法。长机僚机法简单易行,长机获取编队方位与目标坐标,率领编队飞行,僚机只需跟随长机,与之保持固定队型;但该方法对长机依赖程度高,一旦长机失效,编队解体。虚拟结构法假设一个刚体在空间中运动,刚体的各个顶点是无人机的跟踪目标;但在转弯时,不同位置无人机运动路径长短不同,还可能出现绕圈现象。人工势场法假设每架无人机四周存在依赖于距离的引力、斥力场,相邻飞机按间距不同收到引力或斥力的作用,通过合理设计势场种类、形状、参数实现稳定编队。基于行为的方法将无人机的运动抽象为少数简单的行为,如平飞、左转、右转等,无人机通过评估当前的运动状态,得出下一步采取的行为,以期保持编队构型;基于该方法的编队稳定性与运动状态收敛性难以得到保证,如何从当前状态计算出下一步行为,这涉及到有限状态机的设计问题,目前没有统一的方案。

自然界中的鸟群飞行给人以启发,小型社会性鸟类,如鸽子、欧椋鸟,常构成成百上千的鸟群,飞行时遮天蔽日,蔚为壮观。鸟群虽然形状多变,但致密有序,飞行时方向高度一致,转弯爬升俯冲灵活,个体不会碰撞,其背后蕴含的规则值得借鉴,将其运用到无人机编队中来。

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