[发明专利]一种异构无人机集群分布式时空协调控制方法

说明书

本发明公开了一种异构无人机集群分布式时空协调控制方法，将集群内个体划分为领航者、协调者和跟随者，由不同任务角色产生不同功能形成异构无人机集群，进一步建立了异构集群无人机分布式时空协调控制框架，设计了异构无人机集群的协调机制，并根据角色功能分别设计代价函数，将协调控制问题转化为滚动时域优化问题，进而采用群体智能优化算法进行求解，以实现集群无人机形成并保持期望队形。本发明设计的协调机制决定不同角色和个体之间的从属关系和期望相对位置关系，限定信息交互的对象和内容，从而实现机间高效的通信和运动协调作用，支持了集群的可扩展性。

技术领域

本发明属于异构集群无人机协调控制技术领域，尤其涉及一种面向集群无人机队形生成与保持的多任务角色切换机制和分布式时空协调控制方法。

背景技术

集群往往是指大规模有限智能个体之间通过局部交互实现群体智能涌现的一种组织形式。其中，“大规模”说明个体数量之庞大；“有限智能个体”一方面强调了个体具有一定的自主能力从而体现其智能性，另一方面也说明个体只遵循简单的行为规则且单凭个体能力不足以独立完成复杂任务；“局部交互”说明个体只能获得与之相邻的其他个体和环境的信息；“群体智能涌现”则是指通过个体之间的相互作用实现整体能力大于个体能力之和的效果。在自然界中，鸟群、鱼群、蚁群、蜂群等生物群体都可以看作集群，且生物的集群运动往往能获取最大群体优势。研究者们通过观察和模拟生物集群行为，总结出集群具有可扩展性好、灵活性高和鲁棒性强等特点。受自然界生物集群的启发，Beni等人在1993年提出了集群智能(Swarm Intelligence)的概念，并将其作为一种人工智能模式引入到传统的多个体系统中拓展为大规模集群系统，引起了众多研究者们的关注。

无人机是可进行远程控制或自主控制装置操纵的、具有特定任务导向性的非载人飞行器，旨在减少飞行员的牺牲并突破有人机的限制去完成更加复杂的任务。近年来，无人机所执行任务的复杂程度不断增加，应用的领域不断拓展，特别是高度对抗性、高度不确定性、高度动态性的战场环境和多元化、信息化的作战模式促使无人机系统向着集群化、自主化和智能化的方向发展。因此，集群无人机通常是由大规模的具有一定自主能力的同构/异构小型无人机构成，集群中不存在中心控制且个体往往只能进行局部的感知和通信。由于引入集群智能的自组织机制和分布式架构，将使得具备自主能力的大规模集群无人机能够在没有集中控制的情况下通过相互信息交互产生整体效应，实现较高程度的自主协作，从而能在尽量少的人的干预下完成预期任务，体现其“数量提升能力、成本创造优势、整体大于部分之和”的意义。

集群无人机领域的关键技术包括集群通信组网、协同感知与态势共享、协同任务分配与决策、集群运动控制等。其中，集群运动控制是直接作用于集群无人机的重要环节，可进一步分为有定形的编队控制和无定形的群集控制。无人机编队控制旨在使众多无人机达到期望的约束状态，往往是某种特定的几何形状；而群集控制则侧重于使得集群无人机保持一种聚集且不相互碰撞的状态，个体之间的相对位置关系没有严格的限制。目前，集群无人机运动控制的主要方法有：领航跟随法、人工势场法、一致性协议法和基于行为法等。其中，领航跟随法是在无人机集群中指定一个或多个领航者，其他均为跟随者，群体的运动通过对领航者状态信息的共享而实现，进而可以通过对领航者的控制实现对整个集群的控制。传统的领航跟随法往往没有精确的队形反馈，如果领航者出现故障会导致集群的混乱，鲁棒性有待提高。此外，当需要进行全局通信时与集中式控制相似，计算量较大，不利于群体的扩展。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种异构无人机集群分布式时空协调控制方法，本发明的具体技术方案如下：

一种异构无人机集群分布式时空协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过角色和功能分划形成异构无人机集群；