CN108983816A - 多旋翼无人机变尺度协同监视编队飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多旋翼无人机变尺度协同监视编队飞行控制方法，利用多个无人机探测视场的协同来扩大监视的覆盖范围，在高分辨率观测的同时实现大视场。通过多无人机编队视场始终自动衔接来可靠覆盖机动目标，以可变分辨率和可缩放的观测尺度实现对快速机动目标的广域探测、可靠详查和监视跟踪，提高了多机协同跟踪监视的操控效率。

Description

多旋翼无人机变尺度协同监视编队飞行控制方法

技术领域

本发明涉及无人机飞行控制技术领域，特别是一种多旋翼无人机变尺度协同监视编队飞行控制方法。

背景技术

采用低成本小型无人机对目标进行跟踪监视，在军事和安全领域具有广泛的应用需求。跟踪监视非合作目标的任务中，既需要较高的分辨率来详查识别目标，又需要较大的视场以覆盖目标可能的机动范围。然而，对低成本小型无人机而言，由于载荷重量和性能的限制，常用探测手段，如可见光、红外等，存在载荷的分辨率与视场大小的矛盾。较大的探测视场，意味着远离目标和低分辨率；而较高的分辨率，意味着需要抵近目标和较小的探测视场范围。远距离低分辨率探测时无法区分和确认目标，而近距离高分辨率探测时由于视场限制目标容易机动逃脱。对非合作高机动目标的高分辨率监视和可靠跟踪，必须寻求有效方法解决分辨率和视场范围的矛盾。

对于协同监视多无人机编队系统，在执行远距离搜索、抵近高分辨率详查、以及视场和分辨率缩放等任务过程中，需要根据单个无人机视场范围的变化，动态调整各无人机的位置和姿态关系，进行有效的时变构形编队控制，始终保证各无人机视场衔接。已知的无人机编队飞行控制方法，包括多输入多输出法、领航/跟随法、虚拟结构法、行为控制法、一致性方法等，给出了集群飞行协调控制的一些一般框架，但并没有提出针对多旋翼无人机编队协同监视应用的具体编队控制方法，即在视场和分辨率尺度缩放、旋转等变化过程中如何调整相对位置和姿态保证多无人机视场始终有效衔接的飞行控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种多旋翼无人机变尺度协同监视编队飞行控制方法，满足变尺度协同监视中视场衔接、最大覆盖范围、可变尺度协同探测跟踪等对多旋翼无人机编队的飞行控制要求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多旋翼无人机变尺度协同监视编队飞行控制方法，包括以下步骤：

一种多旋翼无人机变尺度协同监视编队飞行控制方法，包括以下步骤：

1)定义地面固定坐标系oxyz：以地面参考点为原点o，正东方向为x轴，正北方向为y轴，竖直向上为z轴；无人机机体坐标系o_bx_by_bz_b：以无人机质心为原点o_b，x_b轴指向机头方向，z_b轴在机体纵平面内垂直于x_b轴指向上，y_b轴与x_b轴和z_b轴构成右手系；

2)设委托无人机编队无人机总数为n个，第1个无人机定义为长机(即i＝1)，则第i个无人机在长机体坐标系xoy平面的无因次化坐标位置为(G_xi,G_yi)，其中G_xi和G_yi为整数，其绝对值表示编队构形中第i个无人机与长机在x和y方向分别有|G_xi|和|G_yi|个单位距离，各无人机的无因次坐标位置的集合{(G_x1,G_y1),(G_x2,G_y2),…,(G_xn,G_yn)}即表示变尺度协同监视无人机编队的构形，其中G_x1＝0，G_y1＝0；i＝1,2,…,n；

3)长机以广播通信方式向各僚机发送自身飞行状态信息，发送的信息为常规飞行状态信息，包括：x₀，长机在地面固定坐标系中的x坐标值；y₀，长机在地面固定坐标系中的y坐标值；h₀，长机在地面固定坐标系中的z坐标值，即飞行高度；v_x0，长机在地面固定坐标系中的x方向速度值；v_y0，长机在地面固定坐标系中的y方向速度值；v_z0，长机在地面固定坐标系中的z方向速度值；ψ₀，长机的偏航角，即长机机体坐标系x轴与地面固定坐标系中x轴方向的夹角；长机的偏航角速率，即长机机体偏航角的变化率；

4)各僚机依据收到的长机飞行高度计算编队构形尺度因子，即相邻无人机在长机体坐标x方向上的距离D_x和y方向上的距离D_y；设θ_x、θ_y分别为相机沿体坐标轴x，y方向的视场角，根据飞行高度h₀，按以下二式分别计算无人机地面视场的范围，F_x＝2h₀tan(θ_x/2)，F_y＝2h₀tan(θ_y/2)，其中F_x和F_y分别为无人机地面视场矩形的两个边长，取D_x＝(1-ε_x)F_x，D_y＝(1-ε_y)F_y，其中ε_x和ε_y分别为相邻两无人机视场在x和y方向衔接的重复率；

5)各僚机分别计算变尺度协同监视的期望飞行状态，对于各僚机，即编号为2,3,…,n的无人机，依据各无人机飞行高度相同的要求，其中为第i架无人机的期望飞行高度，为第i架无人机的期望爬升速率，依据视场衔接要求，其中为第i架无人机的期望偏航角，为第i架无人机的期望偏航角速率，根据如下公式分别计算第i架无人机在地面坐标系中的期望位置：

设定各无人机在地面坐标系中的期望速度，其中为第i架无人机的期望飞行速度在地面坐标系x轴方向的分量，为第i架无人机的期望飞行速度在地面坐标系y轴方向的分量；

6)依据各无人机自身当前的飞行状态，以及期望飞行状态，计算位置控制的误差量，高度误差量为爬升速率误差量为偏航角误差量为偏航角速率误差量为其中h_i、v_hi、ψ_i、分别为第i架无人机的当前高度、爬升速度、偏航角和偏航角速率；依据无人机飞行控制的要求，水平位置和水平速度误差量需在无人机体坐标系中表示，对于第i架无人机，体坐标系中表示的无人机水平位置误差量为其中，x_i和y_i分别为无人机的当前位置在地面坐标系中的x和y坐标值；体坐标系中表示的无人机水平速度误差量为其中v_xi和v_yi分别为无人机的当前速度在地面坐标系中x和y方向的值；

7)长机采用操作人员遥控或者按设定航路飞行，各僚机依据计算得到的误差量进行常规的位置和姿态反馈控制；

8)长机根据遥控指令或预先规划路径指令实施控制作用，僚机中，第i个无人机使用其执行器实施步骤7)计算所得的控制加速度和并在一个控制周期时间内保持该控制加速度，该控制周期结束时，若变尺度协同监视编队飞行控制任务尚未完成，重复步骤3)～8)；若变尺度协同监视编队飞行控制业已完成，则结束。

步骤7)中，各僚机依据计算得到的误差量进行常规的位置和姿态反馈控制的具体过程包括：

第i架多旋翼无人机的高度控制律为其中g₀为当地重力加速度，为无人机的滚转角，θ_i为无人机的俯仰角，T_i ^c为期望的无人机总升力加速度，k_h和k_dh分别为高度控制的比例项和微分项系数；

第i架无人机的偏航通道控制律为其中为无人机期望的偏航方向角加速度，k_ψ和分别为偏航控制的比例项和微分项系数；

第i架无人机的俯仰通道控制律为其中，为期望的俯仰角，k_x和k_vx分别为x方向位置控制的比例项和微分项系数，k_θ和k_dθ分别为俯仰方向姿态控制的比例项和微分项系数，为期望的俯仰力矩，为无人机的俯仰角速率；

第i架无人机的滚动通道控制律为其中，为期望的滚动角，k_y和k_vy分别为y方向位置控制的比例项和微分项系数，和分别为滚动方向姿态控制的比例项和微分项系数，为期望的滚动力矩，为无人机的滚动角速率。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明提出了一种多旋翼无人机变尺度协同监视编队飞行控制方法。在对目标监视跟踪中，这种编队飞行控制方法自动调整各无人机的相对位置和姿态来保持多个无人机的视场始终衔接，成倍扩大单机视场范围，有效避免机动目标逃脱；无人机编队构形和尺度随探测分辨率的调整自适应缩放，兼顾大范围探测和高分辨率识别的不同需求，一体化地实施大范围侦察、目标详查识别和监视跟踪任务；编队采用自主协调控制，对操作人员而言编队作为一个整体接受其遥控操作，与操控单架无人机完全相同，从而提高了多机协同跟踪监视的操控效率。

附图说明

图1为9架无人机编队的无因次坐标位置示例。

图2为9架无人机编队沿给定运动轨迹按本发明方法实施编队飞行控制中构形尺度缩放及视场的变化情况。

具体实施方式

(1)、定义坐标系。地面固定坐标系oxyz：以地面参考点为原点o，正东方向为x轴，正北方向为y轴，竖直向上为z轴。无人机机体坐标系o_bx_by_bz_b：以无人机质心为原点o_b，x_b轴指向机头方向，z_b轴在机体纵平面内垂直于x_b轴指向上，y_b轴与x_b轴和z_b轴构成右手系。

(2)、指定期望编队构形。依据多无人机协同监视系统对各无人机视场相互衔接的要求，指定无人机编队构形，即编队中各无人机的相互邻接关系。考虑各无人机上固定安装相同的定焦距矩形视场摄像机，相机光轴垂直向下，即指向-z_b轴方向，相机矩形视场的各边分别与无人机的机体坐标系的x_b轴和y_b轴平行，相机在无人机上的安装位置位于体坐标系x_bo_by_b平面的原点。考虑无人机编队中各无人机飞行在同样的高度，只需指定水平面内的编队构形。编队飞行无人机中，仅有一架接收操作人员遥控指令或地面站控制指令，称其为长机，而其它无人机则自动伴随长机飞行，称为僚机。编队飞行过程中，为了使各无人机的矩形视场相互衔接，要求各僚机体坐标系的x_b轴和y_b轴分别与长机体坐标系的x_b轴和y_b轴保持平行，且各僚机在长机体坐标系x_bo_by_b平面内以沿x_b轴和y_b轴方向的均匀点阵排列。由于编队构形尺度的可变性，采用无因次方式指定编队构形。设委托无人机编队无人机总数为n个，第1个无人机定义为长机，则第i(i＝1,2,…,n)，个无人机在长机体坐标系xoy平面的无因次化坐标位置为(G_xi,G_yi)，其中G_xi和G_yi为整数，其绝对值表示编队构形中第i个无人机与长机在x和y方向分别有|G_xi|和|G_yi|个单位距离(i＝1,2,…,n)。各无人机的无因次坐标位置的集合{(G_x1,G_y1),(G_x2,G_y2),…,(G_xn,G_yn)}即表示变尺度协同监视无人机编队的构形，其中G_x1＝0，G_y1＝0。例如，对于9架无人机变尺度协同监视编队，实现视场衔接的编队构形可定义为无因次坐标位置集合{(0，0)，(1，0)，(1，1)，(0，1)，(-1，1)，(-1，0)，(-1，-1)，(0，-1)，(1，-1)}，编队无人机的相对位置分布如图1所示。

(3)、长机以广播通信方式向各僚机发送自身飞行状态信息。发送的信息为常规飞行状态信息，包括：x₀，长机在地面固定坐标系中的x坐标值；y₀，长机在地面固定坐标系中的y坐标值；h₀，长机在地面固定坐标系中的z坐标值(飞行高度)；v_x0，长机在地面固定坐标系中的x方向速度值；v_y0，长机在地面固定坐标系中的y方向速度值；v_z0，长机在地面固定坐标系中的z方向速度值；ψ₀，长机的偏航角，即长机机体坐标系x轴与地面固定坐标系中x轴方向的夹角；长机的偏航角速率，即长机机体偏航角的变化率；

(4)、各僚机依据收到的长机飞行高度计算编队构形尺度因子，即相邻无人机在长机体坐标x方向上的距离D_x和y方向上的距离D_y。设θ_x、θ_y分别为相机沿体坐标轴x，y方向的视场角。根据飞行高度h₀可以按以下二式分别计算无人机地面视场的范围，F_x＝2h₀tan(θ_x/2)，F_y＝2h₀tan(θ_y/2)，其中F_x和F_y分别为无人机地面视场矩形的两个边长。为使相邻无人机的地面视场能够衔接，取D_x＝(1-ε_x)F_x，D_y＝(1-ε_y)F_y，其中ε_x和ε_y分别为相邻两无人机视场在x和y方向衔接的重复率，依据总体视场覆盖最大和视场衔接的可靠性综合确定，通常可取0.1～0.2间的值；

(5)、各僚机分别计算变尺度协同监视的期望飞行状态。对于各僚机，即编号为2,3,…,n的无人机，依据各无人机飞行高度相同的要求，其中为第i架无人机的期望飞行高度，为第i架无人机的期望爬升速率。依据视场衔接要求，其中为第i架无人机的期望偏航角，为第i架无人机的期望偏航角速率(i＝2,3,…,n)。根据如下公式可分别计算第i架无人机(i＝2,3,…,n)在地面坐标系中的期望位置：

设定各无人机在地面坐标系中期望速度，其中为第i架无人机的期望飞行速度在地面坐标系x轴方向的分量，为第i架无人机的期望飞行速度在地面坐标系y轴方向的分量(i＝2,3,…,n)；

(6)、各僚机分别计算位置控制误差量。依据各无人机自身当前的飞行状态，以及期望飞行状态，计算位置控制的误差量。高度误差量为爬升速率误差量为偏航角误差量为偏航角速率误差量为其中h_i、v_hi、ψ_i、分别为第i架无人机的当前高度、爬升速度、偏航角和偏航角速率(i＝2,3,…,n)；依据无人机飞行控制的要求，水平位置和水平速度误差量需在无人机体坐标系中表示。对于第i架无人机(i＝2,3,…,n)，体坐标系中表示的无人机水平位置误差量为

其中x_i和y_i分别为无人机的当前位置在地面坐标系中的x和y坐标值，体坐标系中表示的无人机水平速度误差量为

其中v_xi和v_yi分别为无人机的当前速度在地面坐标系中x和y方向的值；

(7)、各无人机产生控制指令。长机采用操作人员遥控或者按设定航路飞行的自动控制方式。而各僚机依据计算得到的误差量进行常规的位置和姿态反馈控制。

例如，第i架多旋翼无人机的高度控制律为：

其中g₀为当地重力加速度，为无人机的滚转角，θ_i为无人机的俯仰角，T_i ^c为期望的无人机总升力加速度，k_h和k_dh分别为高度控制的比例项和微分项系数。第i架无人机的偏航通道控制律为：

其中为无人机期望的偏航方向角加速度，k_ψ和分别为偏航控制的比例项和微分项系数。第i架无人机的俯仰通道控制律为：

其中，为期望的俯仰角，k_x和k_vx分别为x方向位置控制的比例项和微分项系数，k_θ和k_dθ分别为俯仰方向姿态控制的比例项和微分项系数，为期望的俯仰力矩，为无人机的俯仰角速率。第i架无人机的滚动通道控制律为：

其中，为期望的滚动角，k_y和k_vy分别为y方向位置控制的比例项和微分项系数，和分别为滚动方向姿态控制的比例项和微分项系数，为期望的滚动力矩，为无人机的滚动角速率。

(8)、各无人机分别实施控制作用。长机采用常规方法，根据遥控指令或预先规划路径指令实施控制作用。僚机中，第i个无人机使用其执行器实施步骤(7)计算所得的控制加速度T_i ^c、和并在一个控制周期(例如0.001～0.01s范围内的一个固定值)时间内保持该控制加速度。该控制周期结束时，若变尺度协同监视编队飞行控制任务尚未完成，重复步骤(3)～(8)；若变尺度协同监视编队飞行控制业已完成，步骤结束。

Claims (3)

1.一种多旋翼无人机变尺度协同监视编队飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)定义地面固定坐标系oxyz：以地面参考点为原点o，正东方向为x轴，正北方向为y轴，竖直向上为z轴；无人机机体坐标系o_bx_by_bz_b：以无人机质心为原点o_b，x_b轴指向机头方向，z_b轴在机体纵平面内垂直于x_b轴指向上，y_b轴与x_b轴和z_b轴构成右手系；

2)设委托无人机编队无人机总数为n个，第1个无人机定义为长机，则第i个无人机在长机体坐标系xoy平面的无因次化坐标位置为(G_xi,G_yi)，其中G_xi和G_yi为整数，其绝对值表示编队构形中第i个无人机与长机在x和y方向分别有|G_xi|和|G_yi|个单位距离，各无人机的无因次坐标位置的集合{(G_x1,G_y1),(G_x2,G_y2),…,(G_xn,G_yn)}即表示变尺度协同监视无人机编队的构形，其中G_x1＝0，G_y1＝0；i＝1,2,…,n；

3)长机以广播通信方式向各僚机发送自身飞行状态信息，发送的信息为常规飞行状态信息，包括：x₀，长机在地面固定坐标系中的x坐标值；y₀，长机在地面固定坐标系中的y坐标值；h₀，长机在地面固定坐标系中的z坐标值，即飞行高度；v_x0，长机在地面固定坐标系中的x方向速度值；v_y0，长机在地面固定坐标系中的y方向速度值；v_z0，长机在地面固定坐标系中的z方向速度值；ψ₀，长机的偏航角，即长机机体坐标系x轴与地面固定坐标系中x轴方向的夹角；长机的偏航角速率，即长机机体偏航角的变化率；

4)各僚机依据收到的长机飞行高度计算编队构形尺度因子，即相邻无人机在长机体坐标x方向上的距离D_x和y方向上的距离D_y；设θ_x、θ_y分别为相机沿体坐标轴x，y方向的视场角，根据飞行高度h₀，按以下二式分别计算无人机地面视场的范围，F_x＝2h₀tan(θ_x/2)，F_y＝2h₀tan(θ_y/2)，其中F_x和F_y分别为无人机地面视场矩形的两个边长，取D_x＝(1-ε_x)F_x，D_y＝(1-ε_y)F_y，其中ε_x和ε_y分别为相邻两无人机视场在x和y方向衔接的重复率；

5)各僚机分别计算变尺度协同监视的期望飞行状态，对于各僚机，即编号为2,3,…,n的无人机，依据各无人机飞行高度相同的要求，其中为第i架无人机的期望飞行高度，为第i架无人机的期望爬升速率，依据视场衔接要求，其中为第i架无人机的期望偏航角，为第i架无人机的期望偏航角速率，根据如下公式分别计算第i架无人机在地面坐标系中的期望位置：

设定各无人机在地面坐标系中的期望速度，其中为第i架无人机的期望飞行速度在地面坐标系x轴方向的分量，为第i架无人机的期望飞行速度在地面坐标系y轴方向的分量；

6)依据各无人机自身当前的飞行状态，以及期望飞行状态，计算位置控制的误差量，高度误差量为爬升速率误差量为偏航角误差量为偏航角速率误差量为其中h_i、v_hi、ψ_i、分别为第i架无人机的当前高度、爬升速度、偏航角和偏航角速率；依据无人机飞行控制的要求，水平位置和水平速度误差量需在无人机体坐标系中表示，对于第i架无人机，体坐标系中表示的无人机水平位置误差量为其中，x_i和y_i分别为无人机的当前位置在地面坐标系中的x和y坐标值；体坐标系中表示的无人机水平速度误差量为其中v_xi和v_yi分别为无人机的当前速度在地面坐标系中x和y方向的值；

7)长机采用操作人员遥控或者按设定航路飞行，各僚机依据计算得到的误差量进行常规的位置和姿态反馈控制；

8)长机根据遥控指令或预先规划路径指令实施控制作用，僚机中，第i个无人机使用其执行器实施步骤7)计算所得的控制加速度T_i ^c、和并在一个控制周期时间内保持该控制加速度，该控制周期结束时，若变尺度协同监视编队飞行控制任务尚未完成，重复步骤3)～8)；若变尺度协同监视编队飞行控制业已完成，则结束。

2.根据权利要求1所述的多旋翼无人机变尺度协同监视编队飞行控制方法，其特征在于，ε_x和ε_y取0.1～0.2间的值。

3.根据权利要求1所述的多旋翼无人机变尺度协同监视编队飞行控制方法，其特征在于，步骤7)中，各僚机依据计算得到的误差量进行常规的位置和姿态反馈控制的具体过程包括：

第i架多旋翼无人机的高度控制律为其中g₀为当地重力加速度，为无人机的滚转角，θ_i为无人机的俯仰角，T_i ^c为期望的无人机总升力加速度，k_h和k_dh分别为高度控制的比例项和微分项系数；

第i架无人机的偏航通道控制律为其中为无人机期望的偏航方向角加速度，k_ψ和分别为偏航控制的比例项和微分项系数；

第i架无人机的俯仰通道控制律为其中，为期望的俯仰角，k_x和k_vx分别为x方向位置控制的比例项和微分项系数，k_θ和k_dθ分别为俯仰方向姿态控制的比例项和微分项系数，为期望的俯仰力矩，为无人机的俯仰角速率；

第i架无人机的滚动通道控制律为其中，为期望的滚动角，k_y和k_vy分别为y方向位置控制的比例项和微分项系数，和分别为滚动方向姿态控制的比例项和微分项系数，为期望的滚动力矩，为无人机的滚动角速率。