[发明专利]一种应用于无人机群的时变编队蜂拥控制方法

说明书

本发明公开了一种应用于无人机群的时变编队蜂拥控制方法，获取无人机编队的运动数据和通讯拓扑关系；建立无人机的多智能体运动学模型；构造时变编队蜂拥控制算法；构造无人机群的平均值‑虚拟领导者模型来分析编队稳定性，并在此基础上实现无人机群的时变编队。该控制方法具有易于实现，编队控制效果好等优点，能实现无人机群队形的形成，缩放，旋转和方向变换的时变编队操作。

技术领域

本发明属于多智能体模型的分散控制技术领域，尤其涉及一种应用于无人机群的时变编队的蜂拥控制方法。

背景技术

无人机源于军事领域，经过几十年发展，已经进入快速发展期，其种类繁多，应用领域不断拓展，任务类型广泛。军事方面，无人机可在复杂地形情况下进行侦察及监视，可用于特殊环境下执行建筑内部情况的监视、监听、解救人质以及反恐怖行动等；民用方面，主要用于洪涝、森林火警以及地震等灾害监测调查，以及民用航空拍摄、娱乐拍摄等。

随着信息化、智能化的加深与加快，应用环境的复杂多变，单个无人机无法完成某些任务，或者单机无人机价格昂贵，以大规模、低成本、多功能的微型无人机群代替单个无人机，通过空中通讯组网、自主控制、群智决策等技术，实现多任务协同。无人机群编队是指其协同运动时，各个体间保持固定或按要求变化的几何队列形态，完成障碍规避、避碰等条件约束。在实际工程中，无人机以编队模式执行任务时，无人机间会相互影响，需要运动过程中形成、保持和变换队形等，解决机间信息采集、交换、计算、控制等操作。目前主要编队控制算法包括：1)人工势场法，通过定义人工势场表达相应队形，但队形单一，不同队形需定义不同人工势场，过于复杂；2)虚拟结构法，通过虚拟空间结构表达队形，其应用范围易受到虚拟结构的限制；3)领航者-跟随者法，对领航者的依赖程度大，领航者引导失效会导致编队控制失效；4)基于行为法，群体行为没有明确的定义时，对其进行数学分析进而进行控制非常困难。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的控制无人机群的编队困难的问题，本发明提供一种应用于无人机群的时变编队蜂拥控制方法。

技术方案：一种应用于无人机群的时变编队蜂拥控制方法，包括以下步骤：

(1)获取无人机群中的各无人机的运动数据与通讯拓扑关系，运动数据包括位置、速度和加速度向量；通讯拓扑关系用于建立无人机间无线数据通讯网络；

(2)根据各无人机的运动数据建立无人机群的多智能体运动学模型；

(3)使用当前时刻各无人机的运动数据及多智能体运动学模型计算下一时刻无人机加速度操作量，构造对各无人机的加速度控制操作量的集合 {u₁,u₂,…,u_N}，下一时刻无人机加速度操作量u_i为第一分向量、第二分向量及第三分向量的叠加，第一分向量为该无人机受其他无人机位置关系上的引力或斥力，第二分向量为该无人机的速度驱动力，第三分向量为虚拟领导者的引导力，其中各无人机间通过无线数据通讯网络进行数据传递；

(4)通过改变引力或斥力、驱动力及引导力实现无人机群的时变编队操作。

进一步地，步骤(3)中，第一分向量u_i,1为：

其中，i表示第i个无人机，j表示第j个无人机；γ_σ＞0，d_σ＞0，γ_σ、d_σ分别是无人机间相邻距离的上限与下限，q_i代表无人机i的位置，N_i表示第i架无人机有邻接关系的其它无人机的标号几何，n_ij为位置梯度向量，η和ε为给定的控制参量； M(t)是时变加权矩阵；

|M(t)z|_σ为无人机i，j间的加权距离度量，

a,b，c为常数且满足0＜a≤b，