[发明专利]基于位置信息的固定翼无人机编队飞行方法

说明书

本发明涉及一种基于位置信息的固定翼无人机自动编队飞行装置与方法，编队控制的目标是把每架僚机控制到目标站位，且具有和长机一样的对地速度大小和方向。首先，组建一种星形的一对多通信网络，把长机的位置信息通过下行链路发送到地面控制站(GCS)，GCS再把长机位置信息发送给各个僚机；其次，僚机根据预定的编队站位和长机位置信息，实时解算出目标位置坐标；再次，僚机根据自己的实际位置和目标位置信息，计算并分解得到纵向和横航向导航信息；然后，调用编队飞行控制算法，得到僚机的目标姿态、速度和高度；最后，调用僚机的自动驾驶仪的姿态、速度和位置控制模块，把僚机控制到目标位置。

技术领域

本发明涉及无人机编队飞行控制技术领域，尤其涉及一种低成本的基于位置信息的固定翼无人机自动编队飞行方法与装置。

背景技术

随着航空技术、自动控制技术、通信技术的不断发展，无人机在军事和民用领域得到了越来越广泛的应用。在实际使用中存在的一个矛盾是，从存储、运输、起降等易用性角度考虑，希望无人机平台越轻越小越好；从执行任务的角度考虑，希望能携带的载荷越多越重越好，这就意味着无人机平台需要尽可能大。解决该矛盾的方式之一是把载荷分散安装到多架小型无人机上，多机间采用协同工作的形式组合，从而既有小型无人机的灵活方便的优势，又有大型无人机的载荷能力强的优势。但是，采用这种方法随之而来的问题是需要多架协同工作的无人机能够自动组成编队飞行。采用合理的编队飞行阵列，还可以充分利用前机的涡流，提高后机的空气动力学效率，从而提高无人机群的航程和航时。

在固定翼无人机编队飞行领域，文献(袁利平,陈宗基.一种基于局部相对状态信息的固定翼无人机分散化编队飞行控制方法[C].第三十届中国控制会议,中国,烟台,2011.)以编队运动方向为参照，利用基于相对位置的编队图描述给定的编队几何构型。按照编队图的要求，给出一种基于信息一致性的分散化编队飞行控制策略。其控制策略由两部分组成，一部分是利用无人机之间的相对速度和相对航向信息进行速度和航向同步，另一部分是利用无人机之间的相对位置信息进行编队形成和队形保持。但是，该方法需要得到无人机间的相对速度和航向信息，而且要求无人机具有航向控制能力，即需要无人机具有较强的势态感知和控制能力，在低成本无人机上的实用性不强。

文献(张民,黄坤,夏卫政,陈欣.一种固定翼无人机编队制导装置及协同跟踪制导方法[P].中华人民共和国发明专利,CN 107422748A,2017.12 01.)的发明提出了一种固定翼无人机编队制导装置及协同跟踪制导方法，属于无人机飞行控制技术领域。该发明在设计一种用于无人机编队制导的嵌入式计算机装置的基础上，进行协同跟踪地面目标制导方法设计，首先，设计了Leader无人机自动跟踪地面目标的制导方法并进行了稳定性分析；其次，设计了Follower无人机自动跟踪Leader无人机的跟踪制导方法和用于编队相位控制的协同制导方法，并进行了稳定性分析；最后，分别针对静止目标、匀速直线运动目标和变速运动目标的跟踪问题进行了仿真验证。该发明能够实现对各类地面目标的自动协同跟踪，并且在同等条件下跟踪性能明显优于采用经典李雅普诺夫向量法的制导方法。但是，该方法同要需要使用无人机的航向角信息，使用的跟踪算法是基于角速度和加速度的制导律，与本发明所提出的基于位置信息的编队控制方法截然不同。

文献(张学军,聂尊礼.基于人工势场法的无人机编队控制方法及装置[P].中华人民共和国发明专利,CN 108459612 A,2018.08.28.)的发明涉及一种基于人工势场法的无人机编队控制方法及装置，通过将编队坐标系转换到全局NED坐标系，确定编队中每个无人机在全局NED坐标系中的理想位置；根据无人机的预定目标位置，无人机的理想位置，确定无人机所受到的预定目标位置对其施加的引力；根据无人机的速度矢量、与无人机相对应的障碍物的速度矢量，确定无人机所受到的障碍物对其施加的斥力；根据无人机受到的引力与无人机受到的所有障碍物对其施加的斥力，确定无人机所受到的合力；根据无人机受到的合力，无人机及其周围僚机的飞行状态信息，确定无人机的运动趋势，以使控制器根据无人机的运动模型对无人机编队进行飞行控制。但是，该发明属于多旋翼无人机领域，所提出的方法难以适用于具有正速度限制的非完整运动学约束特征的固定翼无人机，所提出的装置仅有基本功能描述，没有涉及实体。