[发明专利]一种基于小型鸟类集群飞行机制的无人机编队方法

摘要

本发明是一种基于小型鸟类集群飞行机制的无人机编队方法，其实施步骤为：步骤一：设计基于鸟群层级结构的无人机通信网络；步骤二：设计基于鸟群觅食行为的编队导航器；步骤三：设计基于鸟群邻居交互行为的编队控制器；步骤四：基于鸟群行为的飞行模式切换器。该方法可实现稳定的多无人机编队构型，适应不同任务环境，为解决小型无人机大规模集群编队提供一种可行技术手段。

主权项

1.一种基于小型鸟类集群飞行机制的无人机编队方法，特征在于：其步骤如下：步骤一：设计基于鸟群层级结构的无人机通信网络因为每架无人机对环境的感知能力有限，需要多机构成传感器网络增强感知能力，获得必要的编队信息；无人机集群采用三层“领导‑中继‑跟随”结构；领导层无人机负责汇总编队内所有无人机运动状态，并做出决策，如计算下一步的飞行方向与速度，会参考中继层、跟随层个体的状态，当中继层无人机速度较慢时，领导层无人机同样会减速，保持构型；反之加速；中继层个体在集群运动时，围绕在领导个体周围，实时探测领导个体行为，并调整自身状态与其保持一致；“领导‑中继”之间采用双向通信；跟随层无人机参考中继层，计算下一时刻自身的运动状态，“中继‑跟随”同样采用双向通信；外部信息经由基于鸟群层级结构的无人机通信拓扑，从领导层传向中继层，最终传递到跟随层；该通信网络基于拓扑距离，即无人机保持固定的通信关系，不受实际间距影响；该设计使得无人机编队具备较强的环境适应性，如需要急转弯时，可以避免由速度差异过大，导致无人机间距超过邻域通信距离，邻居间通信失效，编队解体的问题；步骤二：设计基于鸟群觅食行为的编队导航器鸟群在觅食时，一些经验丰富，感觉敏锐的个体会第一时间发现食物，并朝之飞行，这些个体便充当领导层；剩余成员只需要跟随领导，就可以获取食物，成为中继或跟随层；采用双积分动力学描述编队中无人机个体的运动，无人机受力得到加速度，加速度积分得到速度，二次积分得到位置增量；其中是导航力，模拟食物源对鸟的吸引，对于无人机，则用目的地代替食物源，吸引无人机飞向指定位置；是社会力，模拟鸟群中邻居个体保持间距和协调速度的效果；此处将无人机质量取为1，这是从鸟群模型继承而来的，因为不同鸟类个体质量不同，建模统一刻画鸟群行为时忽略其质量；由距离误差a和速度反馈v构成，代表无人机的目标位置，x是其当前位置，二者距离误差越大，产生的加速度越大，驱动无人机加速飞行；速度反馈v用于增大二阶系统阻尼比，产生满足系统稳定条件的控制力，γ是速度反馈系数，一般取值为2；领导层无人机的距离误差项与中继、跟随层不同，差异在于缩放系数，领导层无人机受目的地吸引，速度较快，中继、跟随层无人机相比之下，速度较小，需要协调两种速度；采用缩放系数k_slow，领导层个体距离目的地越远，该系数越小，领导层收到的目的地吸引力越小，同时中继、跟随层受到的吸引力越大，加速跟踪领导层无人机；其中dis是领导层个体实际位置与期望位置的距离差，是中继层无人机平均位置，表示中继层无人机平均速度方向，L是领导无人机超前中继无人机的期望距离；步骤三：设计基于鸟群邻居交互行为的编队控制器基于鸟群邻居交互行为的编队控制器服从基于几何距离的通信关系，依据两架无人机的间距大小和夹角，两者之间存在斥力、队列力、引力或者前向作用力；其中是基于鸟群邻居交互行为的编队控制力，其由四项单位力构成，即力的幅值为1，但方向各异；力的大小由对应系数ω_sep、ω_ali、ω_att、ω_front；编队控制力各项列举如下，第i架无人机收到的引力采用高斯力形式，r_sep是斥力最远距离，是编队中第i架无人机位置，是第j架无人机位置，||.||代表2范数；引力方向从无人机j指向i，作用区域是以无人机纵轴为中线，夹角大于30度，距离小于r_sep的扇形区域；表示第i架无人机受到的队列力，表示无人机i的速度方向，是无人机j的速度方向，r_ali是队列力作用半径；队列力修正无人机i的速度方向，使之与无人机j方向一致；其作用域位是距离无人机ir_sep到r_ali，夹角大于30度的扇环内；表示无人机i受到的吸引力，从无人机i指向无人机j，吸引i向j靠拢；r_att是吸引力作用半径；吸引力作用域是距离无人机ir_ali到r_att，夹角大于30度的扇环；表示无人机i受到的前向作用力，r_front是前向作用力的半径；前向作用力分为前向引力和前向斥力，r_mid是二者分界线，前者吸引邻居无人机j飞向无人机i，后者将i推离j；前向作用力的作用域是与无人机纵轴夹角30度的扇形；基于鸟群邻居交互行为的编队控制力基于距离的控制力，包括引力、斥力和前向作用力，因为队列力与距离无关，只依赖于邻居速度；无人机i最外侧与最内侧受力最大，这两个区域最不稳定，与无人机纵轴夹角大于30度的相邻无人机在编队力的作用下调整位置，最终落在队列力作用区域；在队列力作用下，速度趋于一致，实现雷纳德集群三原则：吸引、分离、列队，这是形成稳定编队构型的基础；夹角小于30度的无人机会落在前向引力、前向斥力的分界线处，该位置处两种力大小相等方向相反，是稳定位置；步骤四：基于鸟群行为的飞行模式切换器所述的无人机编队方法包含三种飞行模式：平飞、等半径转弯和编队重构；平飞模式用于编队巡航，要求无人机俯仰角、滚转角保持为零，稳定飞行，期间执行任务；当下一个目的地与当前编队飞行方向夹角超过45度时，进入等半径转弯模式；否则维持平飞，进行小幅度转弯；等半径转弯来源于欧椋鸟群躲避捕食的应急行为，欧椋鸟获得使能信号后，群体协商得出相同的转弯半径R，每只欧椋鸟以自身当前位置为起始点，在当前速度的法方向上截取长度R，终点即为转弯圆心，绕此圆心以相同角速度划弧，得出等半径转弯轨迹；该模式会暂时解散编队构型，相应的益处是增大转弯的灵活性，每架无人机不受目标位置的约束，此时基于鸟群觅食行为的编队导航器不起作用，但设计基于鸟群邻居交互行为的编队控制器仍然工作，将多机间距控制在合理范围内，避免无人机过于分散，为编队重构提供方便；编队重构模式起到过渡作用，从等半径转弯模式恢复到平飞模式，重建原先编队构型；当每架无人机结束转弯后，维持自身速度方向不变，调整速度大小；当领导无人机落后于中继层无人机时，领导无人机以二倍速度平飞，中继无人机速度折半，当领导无人机在前进方向上超过所有中继无人机后，认为重构模式结束，多无人机恢复到原稳定构型，进入平飞模式。