[发明专利]一种基于模型预测控制的多无人机编队协同控制方法

权利要求书

1.一种基于模型预测控制的多无人机编队协同控制方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤一：根据多无人机编队控制相关约束，初始化任务要求和相关控制参数等；

步骤二：根据环境、任务及无人机相关约束，对领航无人机进行初步航迹规划；

步骤三：通过传感器实时检测飞行区域环境情况，判断并选取合适飞行编队，计算(更新)虚拟编队引导点；

步骤四：根据所计算的虚拟编队引导点，以该引导点作为代价计算参考值，根据跟随无人机所在位置，确定无人机与虚拟编队引导点的对应关系，采用基于分布式模型预测控制的粒子群优化策略进行飞行控制；

步骤五：重复步骤二、步骤三和步骤四，控制多无人机编队协同飞行，直到到达目标位置；

所述的步骤一具体为：建立xoy二维平面坐标系，对于每一架无人机：单独设置基本参数——起始位置P_init、最大速度v_max、最大加速度a_max、传感器检测半径r_det、最小安全距离R_min等，初始化任务要求——目标位置P_end，同时，初始化滚动时域步数H_p、粒子最大迭代次数I、粒子群数量N、采样时间Δt；对含有M架无人机的无人机群：设置通讯半径r_c以及无人机编号排序{a_j|j＝1，2，...，M}，其中a₁为根节点领航无人机；

所述步骤二所述的航迹规划具体为：对根节点领航无人机采用迪杰斯特拉(Dijkstra)算法初步计算全局代价，再利用模型预测控制将航迹规划问题转化为滚动时域的优化问题，通过快速粒子群优化算法对该优化问题进行求解，得到根节点领航无人机的下一时刻位置(x_lo，y_lo)，和下一时段的位置变化量(Δx_l，Δy_l)，其中，(x_lo，y_lo)也是下一时刻根节点领航无人机的虚拟点坐标；

所述的步骤三包括以下步骤：

(1)使用传感器实时检测领航无人机周围检测半径为r_det区域内的环境情况，根据检测到的障碍物情况，计算通道宽度d，选取合适的编队队形最大宽度半径r_f，满足R_min≤r_f＜d/2；

(2)设根节点层为第1层，从根节点开始逐层遍历，将无人机群按照进行完全二叉树拓展编队，节点处为领航无人机，该节点父子关系中的无人机满足公式①，并计算虚拟编队相关参数x_f、y_f、x_m、y_m；

其中，(x_l，y_l)为节点领航无人机的下一时刻位置；(Δx_l，Δy_l)为节点领航无人机下一时段

的位置变化量；(x_m，y_m)为连线中点的坐标值；(x_f，y_f)为虚拟编队引导点连线中点到某一虚拟引导点的向量值；l_d为引导点连线与领航无人机的距离，c_ld为减幅权重，为避免领航无人机出现转弯角度过大，造成大幅度甩尾情况，由多次实验结果人为设定；θ为领航无人机速度方向与x轴的夹角；当R≥2R_min时，否则R＝0，其中n为跟随的无人机在二叉树的层数；

(3)求解出该节点领航无人机引导的无人机虚拟编队引导点的坐标；

其中，(x_i，y_i)为第i个虚拟引导点的坐标，i＝1，2；

(4)将第n-1层的无人机作为节点领航无人机，即把(x_i，y_i)作为(x_l，y_l)，依次计算第n层跟随无人机的虚拟编队引导点坐标；其中，当n＞2时，第n-1层第一架节点领航无人机有左右孩子跟随无人机，即采用公式②时i＝1和i＝2的情形，其余的节点领航无人机只有左孩子跟随无人机，即采用公式②中只计算i＝2的情形；

(5)重复步骤(2)、(3)、(4)，继续计算下一层的虚拟编队引导点，直至M架无人机都飞行在编队内；如果第n层无人机间距小于最小安全距离时，即R＜＝R_min，则不再继续计算虚拟编队引导点，此时无人机实际架数多于虚拟编队引导点，多出的无人机只需在飞行过中，第n层保持l_d距离跟随第n-1层，第n-1层保持l_d距离跟随第n-2层，依次递推下去。