CN110687920A - 无人机集群编队控制方法、装置及储存介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机集群编队控制方法、装置及储存介质，该方法包括：对于由N个无人机组成的无人机集群，将无人机n(n＝1)作为领航者，其余无人机n(n＝2,3,…,N)作为跟随者；保持领航者无人机的速度为巡航速度v₀，将跟随者无人机n(n＝2,3,…,N)的速度调整至v_n，计算无人机n(n＝1,2,…,N)在期望封闭式曲线路径上的参考点处的参考转向角χ_r和参考爬升角γ_r，根据χ_r和γ_r，为构建切向量场v_d，对于无人机n(n＝1,2,…,N)，计算其期望对地转向角χ_d、期望爬升角γ_d、期望对地转向率

以及期望爬升率

根据χ_d、γ_d、

以及构建对地转向率的饱和控制器u_χ和爬升率的饱和控制器u_γ，通过u_χ和u_γ控制无人机集群以编队形式沿飞行。本发明解决了现有无人机集群编队控制方法难以控制无人机集群按照一般封闭式曲线路径飞行的问题。

Description

无人机集群编队控制方法、装置及储存介质

技术领域

本发明涉及无人机集群编队控制领域，尤其涉及一种无人机集群编队控制方法、装置及储存介质。

背景技术

无人机集群实际应用中，常会要求无人机集群形成椭圆型、光滑星型等一般封闭式路径编队队形绕目标做循环往复式编队飞行，完成对目标的持续包围、持续探测、护航等任务；

现有技术中的无人机集群编队控制方法包括领航跟随法、虚拟结构法、一致性法等，但是其多适用于圆形封闭式路径，对于一般封闭式路径的控制，现有的无人机集群编队控制方法具有较难实现、精度较低、控制代价较高的弊端。

发明内容

本发明实施例提供一种无人机集群编队控制方法、装置及储存介质，用以解决现有无人机集群编队控制方法难以控制无人机集群按照一般封闭式曲线路径飞行的问题。

本发明实施例提供一种无人机集群编队控制方法，包括：

对于由N个无人机组成的无人机集群，将无人机n(n＝1)作为领航者，其余无人机n(n＝2,3,…,N)作为跟随者；

保持领航者无人机的速度为巡航速度v₀，将跟随者无人机n(n＝2,3,…,N)的速度调整至v_n，使无人机间的角距满足期望角距矩阵Δ＝[δ_ij]_N×N，其中δ_ij为无人机i相对于无人机j的期望角距；

对于无人机n(n＝1,2,…,N)，将其当前位置p_n,k(x_n,k,y_n,k,z_n,k)与期望的封闭式曲线路径

中心O的连线与封闭式曲线路径的交点p_r(x_r,y_r,z_r)作为参考点，计算该参考点处的参考转向角χ_r和参考爬升角γ_r，其中下标r表示参考点处的参考值，下标k表示当前时刻；

根据参考转向角χ_r和参考爬升角γ_r，为

构建切向量场v_d，使所述切向量场全局收敛到由

的参数方程{x＝x(θ),y＝y(θ),z＝z(θ)}确定的封闭式曲线路径，其中(x,y,z)为空间三维坐标，θ为曲线参数；

对于无人机n(n＝1,2,…,N)，计算其期望对地转向角χ_d、期望爬升角γ_d、期望对地转向率

以及期望爬升率

对地转向率

和爬升率的限制分别为

和

其中，

为最大对地转向率，

为最大爬升率；

根据所述期望对地转向角χ_d、期望爬升角γ_d、期望对地转向率

以及期望爬升率

构建对地转向率的饱和控制器u_χ和爬升率的饱和控制器u_γ，通过所述对地转向率的饱和控制器u_χ和爬升率的饱和控制器u_γ控制无人机集群编队按照所述封闭式曲线路径

飞行，其中下标d表示期望达到的值。

可选的，所述v_n通过如下公式求得：

其中，s决定无人机集群沿期望路径

的飞行方向，s＝±1；K_c为机间协同增益，K_c＞0；

为X轴正向与无人机n位置和封闭式曲线路径中心的连线的角度，

为X轴正向与无人机j位置和封闭式曲线路径中心的连线的角度；a_nj为邻接指示因子，a_nj＝1表示无人机n与无人机j间存在通信，a_nj＝0表示无人机n与无人机j间不存在通信，无人机集群的通信拓扑为邻接矩阵A＝[a_ij]_N×N。

可选的，所述参考转向角χ_r和参考爬升角γ_r，通过如下公式求得：

χ_r＝atan2(sw_ry,sw_rx) (2)

其中atan2(,)为四象限正切函数，s(w_rx,w_ry,w_rz)为参考点p_r处的切线方向，w_rx,w_ry,w_rz分别为参考点处切线方向在X轴、Y轴、Z轴的分量，s＝±1决定切线的两个不同方向。

可选的，所述切向量场v_d通过如下公式构建：

其中：

x′＝-(x-x_r)sin(χ_r)+(y-y_r)cos(χ_r) (5)

y′＝-[(x-x_r)cos(χ_r)+(y-y_r)sin(χ_r)]sin(γ_r)+(z-z_r)cos(γ_r) (6)

和

分别表示x、y和z对时间的导数，V_g为无人机n的地速，用来表示无人机n的当前位置p_n,k(x_n,k,y_n,k,z_n,k)到封闭路径

的距离；α和β为可调整参数，满足α∈(0,1)，β＞0。

可选的，所述期望对地转向角χ_d、期望爬升角γ_d、期望对地转向率

以及期望爬升率

通过如下公式求得：

其中

其中，χ和γ分别为对地转向角和爬升角，F_l、G_l、H_l(l＝1,2,3,4,5)均是关于x、y、z、x′、y′、x_r、y_r、z_r、χ_r、γ_r的函数；x_θ、y_θ、z_θ分别表示函数x(θ)、y(θ)、z(θ)对θ的一阶导数，x_θθ、y_θθ、z_θθ分别表示函数x(θ)、y(θ)、z(θ)对θ的二阶导数。

可选的，所述对地转向率的饱和控制器u_χ和爬升率的饱和控制器u_γ通过如下公式构建：

其中，sat()为饱和函数，k_χ＞0和k_γ＞0为反馈增益，

χ_e＝<χ-χ_d>和γ_e＝<γ-γ_d>表示无人机的飞行航迹角与期望飞行航迹角的误差，算子<>表示将误差角度等价转换到区间(-π,π]。

本发明实施例提供一种无人机集群编队控制设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述无人机集群编队控制方法的步骤。

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现上述无人机集群编队控制方法的步骤。

采用本发明实施例，本申请直接对无人机的速度、转向率、爬升率约束做了显式处理，满足无人机的实际飞行约束，能够实现无人机集群椭圆型、光滑星型等封闭式曲线路径的编队控制，不再局限于通常的圆型封闭式路径。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的无人机集群编队控制方法流程图；

图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)是本发明实施例提供的无人机集群椭圆型编队保持与切换过程图；

图3是本发明实施例提供的无人机集群到期望椭圆型路径的相对距离随时间的变化图；

图4是本发明实施例提供的期望椭圆型路径的无人机之间的期望角距误差随时间的变化图；

图5(a)、图5(b)、图5(c)分别是本发明实施例提供的期望椭圆型路径的无人机集群的速度、转向率、爬升率控制输入值随时间的变化图；

图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)是本发明实施例提供的无人机集群光滑星型编队形成过程图；

图7是本发明实施例提供的无人机集群到期望光滑星型路径的相对距离随时间的变化图；

图8是本发明实施例提供的期望光滑星型路径的无人机之间的期望角距误差随时间的变化图；

图9(a)、图9(b)、图9(c)分别是本发明实施例提供的期望光滑星型路径的无人机集群的速度、转向率、爬升率控制输入值随时间的变化图；

图10是本发明实施例提供的一种无人机集群编队控制设备示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供无人机集群编队控制方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤S20，对于由N个无人机组成的无人机集群，将无人机n(n＝1)作为领航者，其余无人机n(n＝2,3,…,N)作为跟随者；

保持领航者无人机的速度为巡航速度v₀，将跟随者无人机n(n＝2,3,…,N)的速度调整至v_n，使无人机间的角距满足期望角距矩阵Δ＝[δ_ij]_N×N，其中δ_ij为无人机i相对于无人机j的期望角距；

其中，所述v_n通过如下公式求得：

其中，s决定无人机集群沿期望路径的飞行方向，s＝±1；K_c为机间协同增益，K_c＞0；

为X轴正向与无人机n位置和封闭式曲线路径中心的连线的角度，为X轴正向与无人机j位置和封闭式曲线路径中心的连线的角度；a_nj为邻接指示因子，a_nj＝1表示无人机n与无人机j间存在通信，a_nj＝0表示无人机n与无人机j间不存在通信，无人机集群的通信拓扑为邻接矩阵A＝[a_ij]_N×N。

步骤S22，对于无人机n(n＝1,2,…,N)，将其当前位置p_n,k(x_n,k,y_n,k,z_n,k)与期望的封闭式曲线路径

中心O的连线与封闭式曲线路径的交点p_r(x_r,y_r,z_r)作为参考点，计算该参考点处的参考转向角χ_r和参考爬升角γ_r，其中下标r表示参考点处的参考值，下标k表示当前时刻；

其中，所述参考转向角χ_r和参考爬升角γ_r，通过如下公式求得：

χ_r＝atan2(sw_ry,sw_rx) (2)

其中atan2(,)为四象限正切函数，s(w_rx,w_ry,w_rz)为参考点p_r处的切线方向，w_rx,w_ry,w_rz分别为参考点处切线方向在X轴、Y轴、Z轴的分量，s＝±1决定切线的两个不同方向。

步骤S24，根据参考转向角χ_r和参考爬升角γ_r，为

构建切向量场v_d，使所述切向量场全局收敛到由

的参数方程{x＝x(θ),y＝y(θ),z＝z(θ)}确定的封闭式曲线路径，其中(x,y,z)为空间三维坐标，θ为曲线参数；

其中，所述切向量场v_d通过如下公式构建：

其中：

x′＝-(x-x_r)sin(χ_r)+(y-y_r)cos(χ_r) (5)

y′＝-[(x-x_r)cos(χ_r)+(y-y_r)sin(χ_r)]sin(γ_r)+(z-z_r)cos(γ_r) (6)

和

分别表示x、y和z对时间的导数，V_g为无人机n的地速，

用来表示无人机n的当前位置p_n,k(x_n,k,y_n,k,z_n,k)到封闭路径

的距离；α和β为可调整参数，满足α∈(0,1)，β＞0。

步骤S26，对于无人机n(n＝1,2,…,N)，计算其期望对地转向角χ_d、期望爬升角γ_d、期望对地转向率

以及期望爬升率

对地转向率

和爬升率

的限制分别为

和

其中，

为最大对地转向率，

为最大爬升率；

其中，所述期望对地转向角χ_d、期望爬升角γ_d、期望对地转向率

以及期望爬升率

通过如下公式求得：

其中

其中，χ和γ分别为对地转向角和爬升角，F_l、G_l、H_l(l＝1,2,3,4,5)均是关于x、y、z、x′、y′、x_r、y_r、z_r、χ_r、γ_r的函数；x_θ、y_θ、z_θ分别表示函数x(θ)、y(θ)、z(θ)对θ的一阶导数，x_θθ、y_θθ、z_θθ分别表示函数x(θ)、y(θ)、z(θ)对θ的二阶导数。

步骤S28，根据所述期望对地转向角χ_d、期望爬升角γ_d、期望对地转向率

以及期望爬升率构建对地转向率的饱和控制器u_χ和爬升率的饱和控制器u_γ，通过所述对地转向率的饱和控制器u_χ和爬升率的饱和控制器u_γ控制无人机集群编队按照所述封闭式曲线路径

飞行，其中下标d表示期望达到的值。

其中，所述对地转向率的饱和控制器u_χ和爬升率的饱和控制器u_γ通过如下公式构建：

其中，sat()为饱和函数，k_χ＞0和k_γ＞0为反馈增益，

χ_e＝<χ-χ_d>和γ_e＝<γ-γ_d>表示无人机的飞行航迹角与期望飞行航迹角的误差，算子<>表示将误差角度等价转换到区间(-π,π]。

本发明实施例提供一种无人机集群编队控制设备，如图10所示，包括：存储器10、处理器12及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述无人机集群编队控制方法的步骤。

本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现上述无人机集群编队控制方法的步骤。

本发明实施例提供一种控制无人机集群编队按照期望椭圆型路径飞行的实例，考虑由4架无人机组成的椭圆型编队的保持与切换。设前75秒的期望角距满足δ₁₂＝δ₂₃＝δ₃₄＝π/2，后75秒的期望角距满足δ₁₂＝δ₂₃＝δ₃₄＝π/4。无人机集群按椭圆型编队飞行时间为0秒时如图2(a)所示，此时无人机集群开始起飞；无人机集群按椭圆型编队飞行时间为20秒时如图2(b)所示，此时无人机集群编队向δ₁₂＝δ₂₃＝δ₃₄＝π/2所期望的编队靠拢；无人机集群按椭圆型编队飞行时间为66秒时如图2(c)所示，在66秒时，集群已经实现了δ₁₂＝δ₂₃＝δ₃₄＝π/2所期望的编队；无人机集群按椭圆型编队飞行时间为148秒时如图2(d)所示，在148秒时，集群已经成功的完成了从δ₁₂＝δ₂₃＝δ₃₄＝π/2编队到δ₁₂＝δ₂₃＝δ₃₄＝π/4所期望编队的切换。

无人机集群到期望椭圆型路径的相对距离随时间的变化如图3所示，其中相对距离定义为无人机每个时刻位置到期望椭圆型路径的距离与该无人机初始时刻位置到期望椭圆型路径的距离之比。可以看到，在20秒左右时，所有无人机均已到达期望椭圆型路径，且此后不再离开此路径；

期望椭圆型路径的无人机之间的期望角距误差随时间的变化如图4所示，可以看到，分别在约50秒、约125秒，所有角距误差均达到零，即在这两个时刻，分别达成了δ₁₂＝δ₂₃＝δ₃₄＝π/2所期望的编队和δ₁₂＝δ₂₃＝δ₃₄＝π/4所期望的编队；

期望椭圆型路径的无人机集群的速度、转向率、爬升率控制输入值随时间的变化分别如图5(a)、图5(b)、图5(c)所示，可以看到，各无人机的性能指标(图中平行于X轴的点线)均得到了满足；当期望编队形成时，速度、转向率、爬升率的控制输入值均达到了由期望编队所决定的定值。

本发明实施例提供一种控制无人机集群编队按照期望光滑星型路径飞行的实例，考虑由9架无人机组成的光滑星型编队的形成。设期望角距满足δ₁₂＝δ₂₃＝δ₃₄＝2π/9。无人机集群光滑星型编队形成过程中时间为0秒时无人机集群编队如图6(a)所示，此时无人机集群起飞；无人机集群光滑星型编队形成过程中时间为40秒时无人机集群编队如图6(b)所示，可以看到，无人机集群从最初的随机排布开始逐渐形成均匀光滑星型编队；无人机集群光滑星型编队形成过程中时间为80秒、148秒时无人机集群编队分别如图6(c)、图6(d)所示，可以看到，期间无人机集群已经稳定形成均匀光滑星型编队。

无人机集群到期望光滑星型路径的相对距离随时间的变化如图7所示，其中相对距离定义为无人机每个时刻位置到期望光滑星型路径的距离与该无人机初始时刻位置到期望光滑星型路径的距离之比，可以看到，在50秒左右时，所有无人机均已到达期望光滑星型路径，且此后不再离开此路径；

期望光滑星型路径的无人机之间的期望角距误差随时间的变化如图8所示，可以看到，在大约80秒时，所有角距误差均达到零，即此时所期望的均匀光滑星型编队已经形成；

期望光滑星型路径的无人机集群的速度、转向率、爬升率控制输入值随时间的变化分别如图9(a)、图9(b)、图9(c)所示，可以看到，各无人机的性能指标(图中平行于X轴的点线)均得到了满足；由于光滑星型路径的非凸性，当领航者无人机的速度保持常值时，跟随无人机需要实时调整其速度来保持期望角距；同样的原因，转向率也不再是常值，而是存在上下波动。

本发明实施例中，对每个无人机要跟踪的三维空间中一条封闭式曲线路径，根据其参数方程表达式，为其设计了可全局收敛到该路径上的切向量场，根据期望几何队形中相邻无人机之间的角距，不断调整每个无人机的飞行速度，直到每两个相邻无人机之间的角距达到期望值，根据切向量场决定的期望飞行航迹角及其变化率，为无人机封闭式曲线路径跟踪设计了带有反馈项和前馈项的饱和飞行航迹角变化率控制器，能满足无人机的转向率和爬升率约束，用对地转向角与对地转向率代替原始的转向角和转向率，能够消除风扰的影响，这样实现了对无人机的速度、转向率、爬升率约束的显式处理，满足无人机的实际飞行约束，能够实现无人机集群椭圆型、光滑星型等封闭式曲线路径的编队控制，不再局限于通常的圆型封闭式路径，具有易实现、精度高、控制代价低的优势。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无人机集群编队控制方法，其特征在于，包括：

对于由N个无人机组成的无人机集群，将无人机n(n＝1)作为领航者，其余无人机n(n＝2,3,…,N)作为跟随者；

保持领航者无人机的速度为巡航速度v₀，将跟随者无人机n(n＝2,3,…,N)的速度调整至v_n，使无人机间的角距满足期望角距矩阵Δ＝[δ_ij]_N×N，其中δ_ij为无人机i相对于无人机j的期望角距；

对于无人机n(n＝1,2,…,N)，将其当前位置p_n,k(x_n,k,y_n,k,z_n,k)与期望的封闭式曲线路径

中心O的连线与封闭式曲线路径的交点p_r(x_r,y_r,z_r)作为参考点，计算该参考点处的参考转向角χ_r和参考爬升角γ_r，其中下标r表示参考点处的参考值，下标k表示当前时刻；

根据参考转向角χ_r和参考爬升角γ_r，为

构建切向量场v_d，使所述切向量场全局收敛到由

的参数方程{x＝x(θ),y＝y(θ),z＝z(θ)}确定的封闭式曲线路径，其中(x,y,z)为空间三维坐标，θ为曲线参数；

对于无人机n(n＝1,2,…,N)，计算其期望对地转向角χ_d、期望爬升角γ_d、期望对地转向率以及期望爬升率

对地转向率

和爬升率

的限制分别为

和

其中，

为最大对地转向率，

为最大爬升率；

根据所述期望对地转向角χ_d、期望爬升角γ_d、期望对地转向率

以及期望爬升率

构建对地转向率的饱和控制器u_χ和爬升率的饱和控制器u_γ，通过所述对地转向率的饱和控制器u_χ和爬升率的饱和控制器u_γ控制无人机集群编队按照所述封闭式曲线路径飞行，其中下标d表示期望达到的值。

2.如权利要求1所述的无人机集群编队控制方法，其特征在于，所述v_n通过如下公式求得：

其中，s决定无人机集群沿期望路径

的飞行方向，s＝±1；K_c为机间协同增益，K_c＞0；

为X轴正向与无人机n位置和封闭式曲线路径中心的连线的角度，

为X轴正向与无人机j位置和封闭式曲线路径中心的连线的角度；a_nj为邻接指示因子，a_nj＝1表示无人机n与无人机j间存在通信，a_nj＝0表示无人机n与无人机j间不存在通信，无人机集群的通信拓扑为邻接矩阵A＝[a_ij]_N×N。

3.如权利要求1所述的无人机集群编队控制方法，其特征在于，所述参考转向角χ_r和参考爬升角γ_r，通过如下公式求得：

χ_r＝atan2(sw_ry,sw_rx) (2)

其中atan2(,)为四象限正切函数，s(w_rx,w_ry,w_rz)为参考点p_r处的切线方向，w_rx,w_ry,w_rz分别为参考点处切线方向在X轴、Y轴、Z轴的分量，s＝±1决定切线的两个不同方向。

4.如权利要求1所述的无人机集群编队控制方法，其特征在于，所述切向量场v_d通过如下公式构建：

其中：

x′＝-(x-x_r)sin(χ_r)+(y-y_r)cos(χ_r) (5)

y′＝-[(x-x_r)cos(χ_r)+(y-y_r)sin(χ_r)]sin(γ_r)+(z-z_r)cos(γ_r) (6)

和

分别表示x、y和z对时间的导数，V_g为无人机n的地速，

用来表示无人机n的当前位置p_n,k(x_n,k,y_n,k,z_n,k)到封闭路径

的距离；α和β为可调整参数，满足α∈(0,1)，β＞0。

5.如权利要求4所述的无人机集群编队控制方法，其特征在于，所述期望对地转向角χ_d、期望爬升角γ_d、期望对地转向率以及期望爬升率

通过如下公式求得：

其中

其中，χ和γ分别为对地转向角和爬升角，F_l、G_l、H_l(l＝1,2,3,4,5)均是关于x、y、z、x′、y′、x_r、y_r、z_r、χ_r、γ_r的函数；x_θ、y_θ、z_θ分别表示函数x(θ)、y(θ)、z(θ)对θ的一阶导数，x_θθ、y_θθ、z_θθ分别表示函数x(θ)、y(θ)、z(θ)对θ的二阶导数。

6.如权利要求1所述的无人机集群编队控制方法，其特征在于，所述对地转向率的饱和控制器u_χ和爬升率的饱和控制器u_γ通过如下公式构建：

其中，sat()为饱和函数，k_χ＞0和k_γ＞0为反馈增益，

χ_e＝<χ-χ_d>和γ_e＝<γ-γ_d>表示无人机的飞行航迹角与期望飞行航迹角的误差，算子<>表示将误差角度等价转换到区间(-π,π]。

7.一种无人机集群编队控制设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的无人机集群编队控制方法的步骤。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的无人机集群编队控制方法的步骤。

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