[发明专利]一种无人机集群的分布式围捕控制方法及系统

权利要求书

1.一种无人机集群的分布式围捕控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S100、群体中的无人机进行目标检测，获取该无人机与每个目标的距离、以及对每个目标进行围捕的无人机的数量；

步骤S200、所述无人机根据该无人机与每个目标的距离、以及对每个目标进行围捕的无人机的数量确定该无人机的围捕目标；

步骤S300、将对该无人机的围捕目标进行围捕的多个无人机作为一个无人机群，获取该无人机与群体中其他无人机之间的距离、该无人机与每个目标的距离、该无人机与障碍物之间的距离、该无人机与场地边界之间的距离、该无人机与围捕目标之间的距离、以及该无人机群的期望包围圈半径；

步骤S400、所述无人机根据该无人机与群体中其他无人机之间的距离、该无人机与每个目标的距离、该无人机与障碍物之间的距离、该无人机与场地边界之间的距离、该无人机与围捕目标之间的距离、以及该无人机群的期望包围圈半径确定该无人机在当前时刻的控制速度；

步骤S500、所述无人机按照所述控制速度飞行，以对所述围捕目标进行围捕；

所述步骤S200包括：

步骤S210、所述无人机根据该无人机与每个目标的距离、以及对每个目标进行围捕的无人机的数量确定第一矩阵，所述第一矩阵用于表征每个目标的围捕权重；

步骤S220、将所述第一矩阵进行最大值索引，索引出围捕权重的最大值，将该最大值的序号对应的目标作为该无人机的围捕目标；

所述第一矩阵的计算公式为：

其中，seq_k为第k个目标的围捕权重，(a，b)为权重矩阵，r_itark为第i个无人机距离第k个目标的距离，N_itark为对第k个目标进行围捕的无人机的数量；k＝1，2，...，n；n为目标的总数量；

所述步骤S400包括：

步骤S410、无人机群中的无人机根据该无人机与群体中其他无人机之间的距离、以及该无人机与每个目标之间的距离确定该无人机在当前时刻的第一速度；

所述步骤S410包括：

步骤S411、无人机群中的无人机根据该无人机与群体中其他无人机之间的距离确定该无人机在当前时刻的第一排斥速度；

步骤S412、无人机群中的无人机根据该无人机与每个目标之间的距离确定该无人机在当前时刻的第二排斥速度；

步骤S413、将所述无人机的第一排斥速度和第二排斥速度相叠加得到该无人机在当前时刻的第一速度

步骤S420、所述无人机根据该无人机与障碍物之间的距离确定该无人机的第二速度；其中，所述第二速度为无人机躲避障碍物的速度；

所述无人机在当前时刻的第二速度的计算公式为：

其中，为第i个无人机在当前时刻的第二速度，是第i个无人机避免碰到障碍物的速度，v_i为第i个无人机的当前速度；v_s表示第一虚拟智能体的第一虚拟速度，所述第一虚拟智能体位于障碍物边缘上距离无人机最近的点所在位置；其中，所述第一虚拟速度v_s为当无人机离障碍物边缘过近时，障碍物边缘上第一虚拟智能体产生的速度；在无人机快要碰撞障碍物时，具有使无人机远离障碍物的作用，在该第一虚拟速度作用下第一虚拟智能体不产生位移；第一虚拟速度v_s的方向垂直于该第一虚拟智能体所在的障碍物边缘线且指向场地，所述场地是指群体中的无人机的飞行区域，v_is大小为第i个无人机的速度向量v_i与第一虚拟智能体的第一虚拟速度向量v_s之间的矢量差的模，v_is＝|v_i-v_s|；r_is为第i个无人机与第一虚拟智能体之间的距离，即无人机与障碍物上距离无人机最近的点的距离，r_is＝|r_i-r_s|；r_obs为第三距离阈值，即无人机与障碍物之间的安全距离；通过上述公式计算得到无人机远离障碍物的速度其方向为(v_i-v_s)/v_is；C^shill为可调系数，a^shill、p^shill为可调参数，a^shill的单位为m/s²、p^shill的单位为1/s，D(r,a,p)为平滑的速度衰减函数，此处作为无人机的到其期望停止点的制动曲线，在增益p^shill较大的情况下制动曲线近似为恒加速度曲线；在无人机避障时，C^shill可以线性调整第二速度大小；a^shill为无人机在第二速度分量的最大加速度；

步骤S430、所述无人机根据该无人机与场地边界之间的距离确定该无人机在当前时刻的第三速度；其中，所述第三速度为无人机远离场地边界的速度；

所述无人机在当前时刻的第三速度的计算公式为：

其中，为第i个无人机在当前时刻的第三速度，v_i为第i个无人机的当前速度；r_wall为第四距离阈值，v_w表示第二虚拟智能体的第二虚拟速度，所述第二虚拟智能体位于场地边界上距离无人机最近的点所在位置；其中，所述第二虚拟速度v_w为当无人机离场地边界过近时，场地边界上第二虚拟智能体产生的速度；在无人机距离场地边界小于第四距离阈值的时候，具有使无人机远离场地边界的作用，在该第二虚拟速度作用下第二虚拟智能体不产生位移；第二虚拟速度v_w的方向垂直于该第二虚拟智能体所在的场地边界线且指向场地，v_iw大小为第i个无人机的速度向量v_i与第二虚拟智能体的第二虚拟速度向量v_w之间的矢量差的模，v_iw＝|v_i-v_w|；r_iw为第i个无人机与第二虚拟智能体之间的距离，即第i个无人机与场地边界之间的最短距离，r_iw＝|r_i-r_w|；当无人机群中的无人机靠近场地边界时，采用第三速度限制无人机在场地边界内飞行，场地可以通过无人机机载GPS来设定，场地边界即GPS所限定位置界限；C′^shill为可调系数，a′^shill、p′^shill为可调参数，a′^shill的单位为m/s²、p′^shill的单位为1/s，D′(r,a,p)为平滑的速度衰减函数，此处作为无人机的到其期望停止点的制动曲线，在增益p′^shill较大的情况下制动曲线近似为恒加速度曲线；在无人机远离场地边界时，C′^shill可以线性调整第三速度大小；a′^shill为无人机在第三速度分量的最大加速度；

步骤S440、所述无人机根据该无人机与围捕目标之间的距离以及该无人机群的期望包围圈半径确定该无人机在当前时刻的第四速度；其中，所述第四速度为无人机围捕目标的速度；

所述无人机在当前时刻的第四速度的计算公式为：

其中，v_itarget为第i个无人机在当前时刻的第四速度，即第i个无人机对围捕目标进行追踪、围捕的速度项，v_f为无人机追踪围捕目标的初始速度值，C^t为调整无人机趋向于第四速度分量的线性增益，r_itarget为第i个无人机与围捕目标之间的距离，R_entrap为无人机群的期望包围圈半径，a^target、p^target为可调参数，为围捕目标相对于第i个无人机的方向，从第i个无人机指向围捕目标；

步骤S450、无人机群中的无人机根据该无人机的第一速度、第二速度、第三速度以及第四速度确定该无人机在当前时刻的控制速度；

所述无人机在当前时刻的控制速度的计算公式为：

其中，表示第i个无人机的理论速度，表示第i个无人机在当前时刻的控制速度，v_limit表示无人机的速度截止值；

在速度的方向不变的情况下，如果计算出的理论速度大于无人机飞行的速度截止值v_limit，则将控制速度的大小设为速度截止值，方向依然与理论速度保持一致。