[发明专利]一种基于旋转排斥场的旋翼无人机领航跟随编队控制方法

说明书

本发明公开的一种基于旋转排斥场的旋翼无人机领航跟随编队控制方法，属于编队控制技术领域。本发明实现方法为：建立旋翼无人机动力学模型，基于领航跟随编队构型控制方法对构型控制律进行设计；基于旋转排斥场的避撞控制方法，通过对旋翼无人机威胁域的划分，设计旋转排斥场，进而对避撞控制律进行设计；将构型控制律与避撞控制律结合，形成基于旋转排斥场的领航跟随编队控制律，生成旋翼无人机编队控制量，在保证机间避撞的条件下完成编队任务，同时，本发明通过旋翼无人机产生切向引导作用使多架旋翼无人机在编队任务中能够相互环绕，进而使旋翼无人机在编队任务中跳出局部死锁状态，能够提升编队控制效率、缓解编队陷入局部死锁状态。

技术领域

本发明涉及一种基于旋转排斥场的旋翼无人机领航跟随编队控制方法，属于编队控制技术领域。

背景技术

无人机是一种由动力驱动，机上无人驾驶，可重复使用的航空器，它具有体积小、造价低、使用方便、环境要求低、生存能力较强等优点，非常适合执行枯燥、恶劣、危险的任务。无人机主要包括固定翼无人机、无人直升机、旋翼无人机和其他类型无人机。其中，旋翼无人机由于具有悬停精度高、机动性好、控制方式简单、鲁棒性强等优势，近年来在区域侦察、电力巡线、航空摄影等领域得到了广泛应用。

旋翼无人机应用于侦察、巡线等专业领域时，采用一定的编队队形进行飞行，可以扩大侦察和搜索的范围，执行任务的成功率和抗突发事件的能力也要比单架飞行器高，因此编队飞行成为旋翼无人机执行任务的重要控制模式。首先由编队控制律生成各旋翼无人机编队控制量，然后利用飞控系统对旋翼无人机进行控制，从而实现旋翼无人机编队飞行。

旋翼无人机编队控制需要根据领机状态信息、通信邻域内旋翼无人机状态信息、自身状态信息，考虑机间避撞、威胁规避、机动性能等约束，生成当前时刻某旋翼无人机的编队控制量，实现编队构型的形成、保持、切换。旋翼无人机编队控制包含构型控制和避撞控制两方面。构型控制用于实现编队构型的形成、保持、切换，避撞控制用于保证旋翼无人机的机间避撞以及威胁规避。

对于编队构型控制问题，领航跟随法具有控制结构简单、工程实用性强等特点。对于多无人机避撞问题，若采用传统人工势场法进行避撞控制，往往会使无人机陷入局部死锁状态而导致任务的失败。对此，部分研究工作通过增加随机扰动以跳出局部死锁状态，实现快速避撞。但是对于编队任务而言，构型控制与避撞控制的局部矛盾使得随机扰动法易陷入局部死锁状态，因此，多无人机编队控制方法必须在考虑实际约束情况下快速跳出局部死锁状态并保证机间避撞，引导无人机完成编队任务。

发明内容

本发明公开的一种基于旋转排斥场的旋翼无人机领航跟随编队控制方法要解决的技术问题为：根据实际任务需要，使用基于旋转排斥场方法的编队控制方法生成旋翼无人机编队控制量，实现编队任务，同时满足机间避撞约束，能够提升编队控制效率、缓解编队陷入局部死锁状态的问题。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种基于旋转排斥场的旋翼无人机领航跟随编队控制方法，建立旋翼无人机动力学模型，基于领航跟随编队构型控制方法对构型控制律进行设计；基于旋转排斥场的避撞控制方法，通过对旋翼无人机威胁域的划分，设计旋转排斥场，进而对避撞控制律进行设计；将构型控制律与避撞控制律结合，形成基于旋转排斥场的领航跟随编队控制律，生成旋翼无人机编队控制量，在保证机间避撞的条件下完成编队任务，同时，本发明能够提升编队控制效率、缓解编队陷入局部死锁状态的问题。

本发明公开的一种基于旋转排斥场的旋翼无人机领航跟随编队控制方法，包括如下步骤：

步骤一：输入旋翼无人机状态信息、编队任务信息、算法参数信息和任务约束信息。所述的旋翼无人机状态信息包括领机、自身、通信邻域内其他旋翼无人机的速度、加速度状态信息。所述的编队任务信息包括编队构型、任务触发条件、通信邻域大小。所述的算法参数信息包括控制参数、威胁域分区。所述的任务约束信息包括飞行机动约束、最小安全距离约束。