[发明专利]一种多旋翼无人机编队防撞控制方法

说明书

本发明公开了一种多旋翼无人机编队防撞控制方法，属于无人机技术领域。该方法包括多传感器空域态势感知、无人机运动学建模、非线性模型控制预测、滚动优化、碰撞检测和碰撞规避等步骤。本发明提出了一种新的非线性模型预测控制方法，可实现动态环境下的无人机飞行路径规划与防撞；基于所提出的滚动优化保证算法执行的实时性。本发明可以解决多无人机之间的碰撞防护问题，有效提高了多无人机系统的工作安全性，具有较大的理论研究价值和工程实践意义。

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种多旋翼无人机编队防撞控制方法。

背景技术

近年来，多旋翼无人机在军事、救援、勘探、航拍等领域得到了广泛应用，多无人机协同工作具备更高的工作效率，但多无人机编队协同工作时的动态防撞也成为了亟待解决的问题。

传统的无人机防撞算法只适用于静态环境，没有考虑动态障碍物的情形，然而，为了保证无人机编队协同工作的安全，必须考虑多无人机编队飞行时的动态防撞，为此本发明提出了一种用于多旋翼无人机编队的动态防撞方法。

无人机防撞方法可分为协作式防撞预非协作式防撞，协作式防撞在防撞过程中需要共享速度、位置和航线信息，通过协同控制实现编队防撞。非协作式防撞情形则更为复杂，需要借助传感器获取其他飞行器的速度、位置、高度等信息，并且需要考虑无人机性能约束以及入侵飞行器的不确定性，必须采用动态规划方法解决实时防撞问题。

无人机动态防撞方法主要有几何法、人工势场法、碰撞锥法、随机理论等方法。但这些方法不能有效考虑约束，例如无人机速度约束、转弯率约束、控制输入约束等。基于优化的方法可以处理约束，并且已被证明是解决编队控制问题较成功的方法之一，无人机防撞领域常用的基于优化的方法是非线性模型预测控制(NMPC)方法。

NMPC是一种反馈控制方法，其在每个采样时刻求解优化轨迹，选取最优序列的第一个控制输入，并在每个后续步骤中重复优化。该方法能有效克服模型精度误差等不利因素，通过在线反馈修正确定当前最优控制值，同时保证被控对象具有良好的稳定性。但NMPC方法存在计算成本高的问题，在多无人机编队的情况下，算法的执行效率无法满足快速实时防撞的需求。

总之，现有的NMPC方法在实时性方面还有很大提升空间。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种多旋翼无人机编队防撞控制方法，该方法采用滚动在线优化的NMPC方法，设计了一种基于规则的避障控制策略，能够有效解决多无人机编队防撞问题。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种多旋翼无人机编队防撞控制方法，应用于多旋翼无人机编队中的每一架无人机，包括如下步骤：

(1)选取系统预测时域N和采样周期Δt，设定加权参数Q、R、λ，根据无人机性能设置输入约束；

(2)根据本机的飞行信息及飞行目标建立无人机运动学模型；

(3)建立无人机飞行保护区，获取入侵飞行器集合；

(4)建立NMPC非线性模型预测控制方程，根据无人机防撞控制非线性最优控制模型求解本机防撞冲突消解的控制序列；

(5)对于步骤(4)求解的冲突消解控制序列，进行碰撞规避。

进一步的，步骤(2)的具体方式为：

(201)建立本机的导航坐标系；所述导航坐标系采用东北天坐标系，载体坐标系点位于机体重心，X轴指向机体右侧，Y轴指向机头前进方向，Z轴指向机体上方；无人机在三维空间中的质点描述方程为：

其中，v为无人机速度，ψ为无人机航向角，γ为无人机航迹倾角；

采用一阶线性系统对无人机防撞过程进行建模：