[发明专利]一种基于一致性算法和人工势场方法的无人机编队及其避障控制方法

说明书

本发明公开了一种基于一致性算法和人工势场方法的无人机编队及其避障控制方法。本发明涉及一种无人机编队控制方法；本发明在传统人工势场方法地基础上增加了辅助牵引加速度，该加速度可以驱使无人机更快地离开移动障碍物，且避免了算法陷入局部最优化解；本发明通过引入与障碍物移动方向垂直的辅助牵引加速度信息，可消除局部优化解的影响。同时，为了实现无人机机群快速编队和避障，本文将有限时间一致性算法与改进的人工势场方法相结合，提出一种四旋翼无人机有限时间编队及其避障控制方法。该方法避免了基于传统人工势场方法的编队避障算法易陷入局部优化解，进而导致无人机编队避障失败的弊端。

技术领域

本发明涉及一种无人机编队控制方法，尤其涉及一种可以应对快速移动障碍物的四旋翼无人机编队控制方法。

背景技术

目前，无人机机群编队方法主要有跟随领航者法、虚拟结构法、基于行为法以及一致性算法等。一致性算法采用分布式网络进行信息交互，具有灵活性高和鲁棒性强等特点。因此，被广泛应用于无人机机群编队控制。而无人机机群避障方法主要有人工势场方法、模型预测法及最优控制法等。人工势场方法对计算能力要求较低且实时性强，被广泛应用于无人机机群避障。然而，无人机机群对障碍物的感知范围有限，面对鸟类等快速移动的障碍物时，无人机机群需要具有快速避障的能力。此外，当障碍物始终在无人机与目标点所在的直线方向移动，且移动速度大于无人机最大速度时，基于传统人工势场方法的编队避障算法易陷入局部优化解，进而导致无人机机群避障失败。

针对无人机机群编队避障问题，众多国内外学者研究并提出了多种算法。RuchtiJ等人在《Unmanned Aerial System Collision Avoidance Using Artificial PotentialFields》中提出通过在传统人工势场方法上引入优先级模型和方向变化权重，以改善无人机之间的死锁情况，可实现快速避障。Ferreiravazquez E D等人在《Distance-basedFormation Control Using Angular Information Between Robots》中提出通过将角度信息融入传统人工势场方法，并将其与一致性法融合，以减少局部最优化解对算法的影响，实现了机器人编队成功避障。段海滨等人在《基于捕食逃逸鸽群优化的无人机紧密编队协同控制》中提出通过将人工势场方法和基于捕食逃逸的鸽群优化方法结合，改进了这两种方法易陷入局部最优化解的问题，实现了无人机机群的紧密编队。朱旭等人在《基于改进人工势场的无人机编队防碰撞控制方法》中提出通过在传统人工势场方法的基础上引入无人机与障碍物之间的相对速度，补偿障碍物无法主动规避无人机的缺点，实现无人机机群快速避障。张佳龙等人在《Fixed-Wing UAV Formation Control Design With CollisionAvoidance Based on an Improved Artificial Potential Field》中提出将平行于x-y平面和y-z平面的两个势场复合成具有三维空间旋转矢量的人工势场方法，解决了无人机编队避障过程中易陷入局部最优化解的问题。这些学者的研究丰富了无人机机群编队避障理论，但都存在改进的空间。诸如前两篇文献存在算法可能陷入局部最优化解的问题，且所有文献都没有考虑无人机机群应对快速移动障碍物(障碍物移动的速度高于无人机最大飞行速度)时的避障问题。

本文研究四旋翼无人机机群编队针对鸟类等快速移动障碍物的避障问题，考虑障碍物始终在无人机与目标点所在的直线方向移动且移动速度大于无人机最大速度时的情况。通过在传统人工势场方法上引入辅助牵引加速度信息，得到一种改进的人工势场避障方法，实现无人机机群快速避障，并克服局部最优对避障过程的影响。为提高无人机机群编队过程的响应速度，本文将有限时间一致性算法与改进的人工势场避障方法相结合，提出一种四旋翼无人机机群编队和避障方法，实现无人机机群在飞行过程中快速编队与避障。

发明内容

本发明的目的是提供一种四旋翼无人机机群编队及其避障控制方法，该方法可以避免算法陷入局部最优化解，并可以使四旋翼无人机机群应对快速移动障碍物(障碍物移动的速度高于无人机最大飞行速度)。