[发明专利]一种自主式无人机群目标跟随避障方法

说明书

本发明公开了一种自主式无人机群目标跟随避障方法。本发明步骤：1：通过计算每个对象无人机到终点的坐标差值来设置对象无人机的目标牵引方向；2：对通信范围内所有其余无人机与对象无人机的斥力进行合力计算；3：对通信范围内所有满足速度跟随条件的无人机进行速度跟随运算，获取所有跟随作用的复合作用作为当前无人机所受的跟随力作用；4：在障碍物上设置虚拟无人机，并赋予其虚拟速度，通过无人机之间的速度跟随力，改变无人机群靠近障碍物时的速度方向；5：将所有作用的矢量和作为每个对象无人机所需的速度；将无人机速度固定为集群速度，叠加之前所有作用力，得到所需目标速度。本发明能够为无人机群规划出良好的自主协同避障路线。

技术领域

本发明属于无人机群编队控制技术领域，尤其是涉及一种自主式无人机群目标跟随避障方法，旨在使得无人机群飞行过程中实现目标自主锁定，以及在保持无人机队形的情况下，顺滑的避障。

背景技术

随着新型材料、机械电子、惯性导航系统及控制技术的发展进步，加上四轴飞行器具有价格低廉、操作灵活、控制性能稳定、适应环境能力强及可避免人员伤亡的特点，近些年其在军事、民用领域得到了广泛应用。然而单架飞行器存在功能局限、负载有限及面对复杂环境时效率低下等问题，影响了多类任务的可执行性以及完成度。近年来，国内外许多专家学者研究发现，借鉴自然界中生物群体的协调机制可以较好地解决上述问题。

群体智能以及由此发展而来的机器人学均诞生于对动物的研究，许多动物群体所使用的协调机制已被证明可以用来解决多种复杂问题，如：蚁群算法、粒子算法等智能工程的设计灵感均来源于生物。而自然界中的鱼群、鸟群、蜂群的集群行为对于无人机群的飞行控制极具启发性。

相互作用的动物，昆虫以及活性粒子等，在个体自发的限制下形成集群，在具有一定稳定性的同时能够完成集群共同的任务。那么可以认为在复数无人机形成集群时，利用每个无人机有限的感知可以侦测复杂的环境，可以通过局部信息进行个体决策以达成群体任务。根据早期基于生物媒介的模型，建立维持无碰撞稳定模型只需要设置排斥区、跟随区和吸引区，来限定无人机间距离，维持稳定的集群队形。但是通过限制集群间个体距离的方式，在集群避障时会存在局部最小点，无人机会因为周围受力平衡受困在一个区域内。

现有针对于无人机编队控制中已提出了基于速度跟随的自主式无人机群的运动模型，通过遗传算法匹配模型参数实现了有较强适应性的在有限空间内部规避障碍的稳定的无人机群模型。这种速度跟随的方式类似于粘性摩擦，使无人机群的运动类似于流体运动。

有鉴于此，本发明提出利用短程排斥力，避免无人机间碰撞；采用长程的速度跟随方式来保持无人机队形，并在障碍物处以设置速度反向虚拟无人机的方式，来实现避障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自主式无人机群目标跟随避障方法，本发明研究了在同一集群速度下短程斥力与长程速度跟随作用下的无人机集群的避障情况及运行状态，有益效果是无人机集群在飞行过程中在更远距离做出反应以更小的速度变化避开障碍。

在无人机群的路径规划中，为达到上述目标，本发明提供了如下五个步骤的技术方案：

步骤1：按照以集群所要到达的目标点为牵引，设置集群速度方向，其中将集群牵引定以恒定的大小；通过计算每个对象无人机到终点的坐标差值来设置对象无人机的目标牵引方向；

步骤2：对于每个对象无人机，需要在每个时间帧中，对通信范围内所有其余无人机与对象无人机的斥力进行合力计算，计算结果则是对象无人机当前所受斥力总和；

步骤3：利用无人机之间的速度跟随力，来保持集群速度大小和方向的一致性；对通信范围内所有满足速度跟随条件的无人机进行速度跟随运算，获取所有跟随作用的复合作用作为此对象的当前所受的跟随力作用；

所述的满足速度跟随条件是指在通信范围内的任意两个无人机之间的速度差，保持在缓冲范围内，就能够维持集群的稳定；

所述的通信范围是指根据需要设定的范围；