[发明专利]基于虚拟结构的无人机队形变换方法

说明书

本发明公开一种基于虚拟结构的无人机队形变换方法，应用于无人机编队及控制领域，针对现有的虚拟结构方法中每一个无人机跟随一个虚拟质点，由于虚拟结构受限，无法实现灵活的队形变换的问题；本发明首先建立基于虚拟结构的无人机队形，然后通过控制虚拟结构的飞行状态来控制整个编队的飞行状态，无人机围绕自身所属的虚拟质点运动，实现了基于虚拟结构的无人机队形的灵活变换。

技术领域

本发明属于无人机编队及控制领域，特别涉及一种考虑了大规模小型无人机的编队及队形变换控制技术。

背景技术

无人机起源于军事领域，经过几十年的发展，目前已经进入了快速发展期，种类越来越多，应用领域不断拓展，任务类型越来越广泛。军事方面，微型无人机可以在野外作战的复杂地形情况下进行侦察及监视，还可用于特殊环境下侦察建筑物内部情况，监视、监听、解救人质以及反恐怖行动等。在民用方面，主要用于洪涝、森林火警以及地震等灾害的监测调查，以及民用航空拍摄、娱乐拍摄等。

随着现代社会信息化、智能化的程度加快，加之无人机应用的环境瞬息万变，单个无人机往往无法完成特定的任务，或者能较好完成任务的无人机往往价格贵。为弥补单架无人机的不足，提出以大规模、低成本、多功能的无人机集群代替单个无人机，通过空中组网、自主控制、群智决策等技术，实现无人机机群的协同作战。无人机的编队控制是指当多个无人机甚至成千上百的无人机联合运动时，各个体之间保持固定或变化的几何形状，同时完成障碍规避和内部避碰的任务约束。当无人机以编队模式一起执行任务时，无人机之间会存在相互影响，因此需要解决各个无人机之间信息沟通、交换、计算等难题，以保证无人机在执行任务过程中队形的生成、保持以及变换。目前队形控制的方法主要有：领航者-跟随者方法、基于行为的方法、虚拟结构法、基于人工势场函数方法以及基于一致性算法的方法。每一个方法都有各自的优缺点，例如，基于行为的方法存在明确的队形反馈，无人机根据其它无人机的位置信息进行反应，且系统可以实现分布式控制，从而提高系统的实时性和并行性。缺点在于群体行为没有明确的定义，对其进行数学分析非常困难。虚拟结构法的优点为只需要定义刚体的运动行为就可以控制整个智能体群体的运动，而且该方法还可以进行队形反馈。但其缺点在于其应用范围很大程度上受到虚拟结构法形成的队形的限制，即无法实现灵活的队形变换。而领航者-跟随者方法存在一旦领航者失效，整个编队受到波动的较大甚至失效的缺点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于虚拟结构的无人机队形变换方法，实现无人机队形灵活变换。

本发明采用的技术方案为：基于虚拟结构的无人机队形变换方法，包括：

S1、建立基于虚拟结构的无人机队形；

S2、基于步骤S1建立的无人机队形，根据地面控制基站发送的队形变换指令，各无人机采用自动跟随模式变换队形；

S3、基于步骤S1建立的无人机队形，根据地面控制基站发送的队形重组指令，各无人机采用强制跟随模式重组队形。

进一步地，步骤S1包括以下分步骤：

S11、采用Delaunay三角剖分算法生成以虚拟质点为生成元的Voronoi图；每一个生成元对应一个多边形Voronoi区域；每个多边形Voronoi区域内点到该多边形Voronoi区域内生成元的距离小于到其它生成元距离；相邻多边形Voronoi区域共同边上的点到相邻两个多边形Voronoi区域中的生成元距离相等；

S12、无人机收到起飞指令后，采用强制跟随模式，当跟随指定虚拟质点抵达其所属多边形Voronoi区域后，无人机切换为自动跟随模式；

S13、根据无人机受到的来自相邻无人机的排斥力以及来自虚拟质点的吸引力，建立无人机的力平衡模型。

更进一步地，无人机力平衡模型表达式为：