[发明专利]一种无人机编队与避障方法

权利要求书

1.一种无人机编队与避障方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

接收编队飞行的期望指令，所述期望指令包括头机与各个僚机的期望飞行轨迹；

根据头机与各个僚机的期望飞行轨迹，生成编队运动分量、障碍物对比分量和避碰运动分量；

根据所述编队运动分量、所述障碍物对比分量和所述避碰运动分量进行飞行能力限幅计算；

根据限幅计算的计算结果生成无人机的动力学控制量；

根据所述动力学控制量进行无人家集群的无碰撞编队飞行。

2.根据权利要求1所述的无人机编队与避障方法，其特征在于，所述接收编队飞行的期望指令，所述期望指令包括头机与各个僚机的期望飞行轨迹，具体包括：

根据虚拟期望飞行轨迹x_d0(t)，y_d0(t)，z_d0(t)以及编队信息Δx_i(t)，Δy_i(t)，Δz_i(t)确定各个无人机的期望飞行轨迹

其中i＝1,...n为各个无人机对应的编号，x_di(t)，y_di(t)，z_di(t)分别为第i个无人机在惯性坐标系中对应的期望飞行轨迹。为期望飞行速度。

3.根据权利要求1所述的无人机编队与避障方法，其特征在于，所述编队运动分量，具体包括：

设计无人机保持期望编队的运动规划分量；

为方便书写，定义X_i＝[x_i；y_i；z_i]，X_di＝[x_di；y_di；z_di]，e_i＝X_di-X_i，其中下标i代表无人机i，设计编队规划的分量为：

其中和分别为X和X_di的导数，k＞0,a＞0为正控制常数。

4.根据权利要求1所述的无人机编队与避障方法，其特征在于，所述障碍物对比分量，具体包括：

定义障碍物在惯性坐标系中的位置描述为o_b，无人机与障碍物之间的最小安全距离为d，设计不发生碰撞的不等式条件：

(X_i-o_b)^T(X_i-o_b)≥d² (4)

根据式(4)，设计各个无人机躲避障碍物的运动规划分量：

其中α＞0为正控制常数，λ_i为用于设计无人机躲避障碍物并保证最小安全距离d的辅助变量。

5.根据权利要求1所述的无人机编队与避障方法，其特征在于，所述避碰运动分量，具体包括：

设计无人机i与其他无人机不发生碰撞的不等式条件：

(X_i-X_j)^T(X_i-X_j)≥d²,j＝1,...n,j≠i (5)

根据式(5)，设计各个无人机躲避障碍物的运动规划分量：

其中ξ_ij为用于避免无人机之间发生碰撞并保证最小安全距离d的辅助变量。

6.根据权利要求1所述的无人机编队与避障方法，其特征在于，所述根据所述编队运动分量、所述障碍物对比分量和所述避碰运动分量进行飞行能力限幅计算，具体包括：

综合无人机的编队规划分量、躲避障碍物分量与无人机间的避碰分量，考虑无人机的飞行能力，得到最终修正后的无人机飞行规划指令：

其中为无人机在惯性坐标系下三个方向上的最大最小加速度，表征了无人机飞行能力的上下限。

7.根据权利要求1所述的无人机编队与避障方法，其特征在于，所述根据限幅计算的计算结果生成无人机的动力学控制量，具体包括：

设计无人机的控制率，使无人机在保证稳定飞行的情况下实现对修正飞行指令的跟踪；

建立无人机的动力学模型：

其中m为四旋翼质量；g为重力加速度；x，y，z分别是无人机相对惯性坐标系的位置，θ，φ分别为无人机相对惯性坐标系的姿态角，分别描述了偏航、俯仰和滚转；

I＝diag(I_x,I_y,I_z)为无人机的转动惯量矩阵，u₁，u₂，u₃，u₄分别为系统的4个控制输入量；

设计系统的四个控制量为：

其中：

分别为式(7)所述的三个分量；K_pz、K_vz、K_pθ、K_vθ、K_iθ、K_pφ、K_vφ、K_iφ分别为控制器在高度、偏航、俯仰和滚转通道的控制参数。