[发明专利]一种无人机飞行编队的快速分区集结方法

权利要求书

1.一种无人机飞行编队的快速分区集结方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据预定集结区域、编队图案来设定参考集结点S＝(x_S,y_S,z_S)^T以及计算目标集结点坐标，编队图案的关系矩阵S为：

其中，S矩阵中第i行中的i表示第i个目标集结点的相关信息,i表示第i行元素，可以指代1到n中的任意一行，S表示编队参考集结点，表示目标集结点M_i与参考集结点S之间应保持的空间距离，α_iS表示M_i与参考集结点S之间应保持的垂直方向上的角度，β_iS表示M_i与参考集结点S之间应保持的平面角度，

目标集结点坐标M_i＝(x_Mi,y_Mi,z_Mi)^T为：

其中，x_S、y_S、z_S分别是参考集结点的x、y、z坐标；是第i个目标集结点M_i与参考集结点S之间应保持的空间距离；α表示M_i与S之间应保持的垂直方向上的角度，β表示M_i与S之间应保持的平面角度；

步骤2，根据各无人机当前所在位置，采用匈牙利解法将目标集结点的分配问题转化为求所有无人机从当前位置到目标集结点总距离最短的匹配策略,为每架无人机匹配合适的目标集结点；

步骤3，采用最佳分区数的方法将近集结点区域以参考集结点为中心人工等分为成几个分区，这些分区间的分界面是虚拟的，为不同分区内的无人机隔出互不影响的航行区域；通过合理设置编队图案使各个目标集结点平均的分散在每个分区；

步骤4，集结前期各无人机相隔较远，发生碰撞的概率较低，可令无人机以机体最大速度向所分配目标集结点航行，进入近集结点区域前再降速，当各无人机进入近集结点区域的同时也会进入所分配目标集结点所在的分区；分区内的各无人机按照与目标集结点的距离从小到大的顺序依次沿直线集结，每个分区内同一时刻至多只有一台无人机处于移动状态，其他无人机悬停，而处在不同分区内无人机的移动、悬停状态互不影响；控制中心随时监控各分区间的分界面，一旦有无人机靠近当前所在分区的虚拟分界面且有越过分界面的趋势时，就会收到控制中心的警告并改变飞行状态回到所属分区，在不影响其他分区集结行为的前提下，悬停等待控制中心的调配；

步骤5，所有无人机集结到位，集结完成。

2.根据权利要求1所述的一种无人机飞行编队的快速分区集结方法，其特征在于，步骤3所述的最佳分区数的方法，包括以下步骤：

最佳分区数n_best是综合考虑控制代价C、集结时间T、碰撞概率P三个因素后选出的最合适分区数，分区集结方法的控制代价主要来自两方面，一个是控制通信时延D_c，一个是控制能耗E_c，控制代价函数C如下：

C＝k₁D_c+(1-k₁)E_c (3)

其中，k₁为权重系数，随着分区数k增多，控制中心需要监管的区域间分界面的个数和面积也成倍数增多，控制能耗也随之增加，与此同时各个分界面监控信息的不同通信延迟的影响也会叠加，所以D_c、E_c均与k成正比，无论k₁取何值，随着k的增多，为了确保将每架无人机的活动范围限制在所属分区内需要付出的控制代价就越高；

集结时间T是实际集结场景中最后一架无人机集结到位所用的时间，

T＝Max{t₁,t₂,t₃，……，t_k} (4)

式中t_i为第i个分区内各无人机集结时间的总和，k为分区总；

平均集结时间T_av是将集结时间T平均分给各个分区得到的值，

判断两架无人机之间的碰撞情况主要考虑以下两个方面：

式中：θ为两架无人机飞行方向的夹角；θ_safe为安全飞行θ的最小值；d为两架无人机质心间的距离；d_safe为安全飞行d的最小值；

每隔Δt更新一次各无人机之间的距离和航向角度，并生成以无人机总数为阶数的距离矩阵D和航向角度矩阵A如下：

其中，第i行、第j列代表无人机U_i和U_j；d_ij表示U_i与U_j之间的空间距离；

θ_ij表示U_i与U_j飞行方向的夹角，由于D和A都关于主对角线对称，所以每次只需检测矩阵右上半部分的信息即可；若两个矩阵同一位置的量均满足公式(6)，则记为1次碰撞情况，碰撞概率P的计算公式如下：

式中：n为发生碰撞情况的次数；m为整个集结过程中各无人机间相对状态的检测总次数；

综合考虑控制代价C、集结时间T、碰撞概率P三个因素，选出同时具有较短的集结时间、较低的碰撞概率，还可以付出较少的控制代价的分区数。