[发明专利]一种考虑通信时延的无人机集群协同航迹规划方法

说明书

本发明公开一种考虑通信时延的无人机集群协同航迹规划方法，属于航迹规划技术领域。在考虑通信时延的情况下，构建一种“全局规划‑局部避障”协同航迹规划框架，在全局规划阶段，考虑随机通信时延引起的相邻无人机位置的概率分布，将通信时延导致的邻机位置概率式分布情形结合到稀疏A*搜索算法中，并引入优先级解耦机制提升算法搜索效率；在局部避碰阶段，考虑到通信时延的不确定性、邻机位置的不确定性导致全局航迹仍存在局部碰撞风险，求解分布式模型预测控制的最优控制问题，实现无人机在管道内的航迹跟踪和局部调整。基于双层级协同航迹规划，确保通信时延下无人机集群协同航迹规划的时效性与可靠性，提升真实场景下无人机集群的协同能力。

技术领域

本发明公开一种考虑通信时延的无人机集群协同航迹规划方法，属于航迹规划技术领域。

背景技术

协同航迹规划是实现无人机集群自主协同的关键技术之一，其通过考虑时空一致性约束、无人机性能约束、飞行任务约束、地形、威胁等因素，设计满意或最优的协同飞行航迹，引导无人机集群完成给定的协同飞行任务。然而在实际应用场景中，由于电磁干扰、频繁任务调整等情况，无人机集群难以保证高速可靠的通信数据传输。通信时延作为常见的非理想通信情形，信息交互的高时延特性导致无人机集群规划出的航迹难以实现时空协同一致，增加了集群机间碰撞的风险，进而降低了无人机集群执行协同侦察、目标打击等协同任务能力，难以满足日益复杂的实际作战任务需求。

发明内容

本发明公开的一种考虑通信时延的无人机集群协同航迹规划方法，其主要目的是：面对实际作战环境下无人机集群信息交互的高时延特性，从“全局规划-局部避障”协同航迹规划的框架出发，将通信时延导致的邻机位置概率式分布情形结合到稀疏A*搜索算法中，得到定制的考虑时延的全局管道稀疏A*算法，同时利用模型预测控制保证无人机集群的机间避碰安全性，增强算法的时效性和可靠性，提升真实场景下无人机集群的协同任务能力。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种考虑通信时延的无人机集群协同航迹规划方法，针对无人机集群在复杂应用场景的通信时延问题，建立通信网络时延模型和协同航迹规划模型。在考虑通信时延的情况下，构建一种“全局规划-局部避障”双层级协同航迹规划框架：在全局规划阶段，考虑随机通信时延引起的相邻无人机位置的概率分布，将通信时延导致的邻机位置概率式分布情形结合到稀疏A*搜索算法中，得到定制的考虑时延的全局管道稀疏A*算法，并引入优先级解耦机制提升算法搜索效率；在局部避碰阶段，考虑到通信时延的不确定性、邻机位置的不确定性导致全局航迹仍存在局部碰撞风险，通过求解分布式模型预测控制的最优控制问题，实现无人机在管道内的航迹跟踪和局部调整。基于所述双层级协同航迹规划框架，确保通信时延下无人机集群协同航迹规划的时效性与可靠性，提升真实场景下无人机集群的协同任务能力。

本发明公开的一种考虑通信时延的无人机集群协同航迹规划方法，包括如下步骤：

步骤一：初始化无人机飞行性能参数信息、航迹约束信息和任务环境信息。

获得无人机飞行性能参数信息、航迹约束信息和任务环境信息；所述的无人机飞行性能参数信息包括无人机飞行速度、过载、最大转弯角和最小航迹段长度；所述的航迹约束信息包括无人机的飞行起点位置、目标点位置、无人机与障碍物间的安全距离；所述的任务环境信息包括禁飞区的位置、半径。

步骤二：考虑无人机性能约束、任务环境约束、网络通信时延和无人机局部避障方法，建立通信时延下的无人机航迹规划模型，所述无人机航迹规划模型包括无人机运动学模型、无人机航迹规划问题模型、网络通信时延模型、无人机局部问题模型。

步骤二具体实现方法如下：

(1)无人机运动学建模

假设无人机集群定高飞行，则无人机集群中第i架无人机的质点运动学模型为