CN111399537A - 一种基于航路点的分布式无人机动态编队切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于航路点的分布式无人机动态编队切换方法，首先根据队形得到无人机j与无人机i的期望编队位置偏差，然后根据期望编队位置偏差计算出需要的位置偏差以及无人机的下个航路点位置，不断迭代更新航路点位置，使无人机之间的相对距离达到期望值，实现编队飞行。本发明仅在无人机的动力学约束下通过各无人机的位置信息来进行航路点设计，无人机只需在自身飞控系统的控制下到达所在线规划的航路点即可，其不需要实时调用导弹的控制系统返回相关飞行参数，计算量小，简单实用，在工程上利于实现，且可在部分通信网络丢失及拓扑结构变化的情况下实现对无人机动态编队的控制。

Description

一种基于航路点的分布式无人机动态编队切换方法

技术领域

本发明属于无人机的编队飞行技术领域，涉及部分通信网络丢失及拓扑结构变化下的无人机的编队方法。

背景技术

无人机编队是指多架无人机为适应任务需求而进行的某种队形排列和任务分配。这个概念既包括了无人机编队飞行时的队形产生、保持和变化，也涵盖了飞行任务的规划、组织与执行。无人机编队是无人机技术发展的一个重要趋势，拥有无比广阔的发展和应用前景，由于单架无人机所搭载的设备，航程和活动区域都极为有限，所以要完成比较复杂的任务时，就必须出动多个架次的无人机。而编队作业的无人机则可以弥补这一缺陷，多架无人机可以分散搭载设备，将复杂的任务拆分为若干个相对简单的任务，分配给编队中的不同无人机分别执行，使该项任务能够一次完成，从而显著地提高任务效率。

编队控制问题作为无人机领域一项关键技术和研究热点，国外的专家和学者已经开展了大量的研究工作，并且有许多显著的研究成果，主要有传统的跟随领航者方法、虚拟领航者结构、行为控制方法，以及近几年受到青睐的基于一致性理论的分布式编队控制方法。

对领航-跟随者方法的研究中，虽然控制简单，每个无人机只需要跟随领航者的位置即可，很大程度地减少了每个无人机的计算量；但是领航者没有跟随者的位置误差反馈，领航者运动过快可能导致跟随者掉队，链式领航跟随者策略存在位置误差的传递迭代，越后面的跟随者的位置误差越大，领航者发生故障，会导致整个编队失效。

在虚拟结构方法中，每个无人机跟踪的是同一个虚拟固定点，因此不存在链式领航跟随者策略中的位置误差传递迭代问题，同时可以避免领航-跟随者策略中的领航者发生故障，而可能导致整个编队失效的问题；然而，合成虚拟领航者的位置并将其传输给每个无人机的过程中，需要复杂的计算和大量的通信，由于虚拟领航者的位置固定不变，整个编队的避障能力较差。

在基于行为的方法中，通信量较少，对环境变化响应速度快，当同时有多个相互冲突的行为目标时，可以很容易地得到控制输出，同时有队形的反馈。然而，编队的整体行为是隐现出来的，难以进行明确的定义，无法对基本行为进行准确的数学描述，队形的稳定性不能保证。

基于分布式的协同编队控制中，无人机个体只需要与其近临的无人机之间进行信息交换，便可以形成期望的编队结构，并且实现整个无人机系统的速度、航迹方位角、航迹倾斜角等状态量的统一；这种通过局部信息交换的分布式控制策略，以其短距离通讯的优势确保整个编队系统稳定的前提下，降低了计算的复杂度，大大减少了信息传递所带来的能量消耗；在这种无集中协调的方式下，可以实现大规模、分布式的编队控制与协调，具有较好的灵活性和适应性，能够有效的实现整个编队的避撞，同时，也不会因为少量成员的退出或者损伤而降低多无人机系统的鲁棒性。

以上所述的编队控制方法都需要无人机的控制系统在控制周期内不断修正飞行参数使其进行编队保持、切换与重构，在工程上实现有较大困难，因此如何设计一种简单有效的编队控制方法具有相当重要的理论和现实意义。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决现有编队切换方法复杂且难以应用的缺点，本发明提出一种基于航路点的分布式无人机动态编队切换方法，实现无人机的动态编队切换。

技术方案

一种基于航路点的分布式无人机动态编队切换方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在飞行过程中，收到编队切换命令后，在所建立的队形库中选择所要切换的队形，得到无人机j与无人机i的期望编队位置偏差X_jiref；

步骤2：每个无人机根据自身的位置信息和周围可通信上的m个无人机位置信息且结合步骤1中得到的X_jiref通过式(1)，计算出需要的位置偏差ΔX_i：

其中，a_ij为通信拓扑的邻接权重矩阵，此处可由0和1组成，取1为可通信，0为不可通信；n为无人机总数量；X_j和X_i分别为无人机j和无人机i的位置；

步骤3：将步骤2计算得到的ΔX_i,n代入式(2)中计算出无人机的下个航路点位置X_i,n+1：

X_i,n+1＝X_i,n+ΔX_i,n+d (2)

其中，d为队形切换所需距离；

步骤4：通过无人机自身的控制系统飞往所得到步骤3计算出的编队航路点X_i,n+1；

步骤5：若形成所期望的编队队形，则退出编队切换模式；若与所期望编队队形存在偏差，则重复上述步骤。

有益效果

本发明提出的一种基于航路点的分布式无人机动态编队切换方法，仅在无人机的动力学约束下通过各无人机的位置信息来进行航路点设计，无人机只需在自身飞控系统的控制下到达所在线规划的航路点即可，其不需要实时调用导弹的控制系统返回相关飞行参数，计算量小，简单实用，在工程上利于实现，且可在部分通信网络丢失及拓扑结构变化的情况下实现对无人机动态编队的控制。

附图说明

图1为本发明所建立的队形库中的横列编队和倒“V”形编队。

图2为本发明在全联通通信下12个无人机的编队队形切换示意图。

图3为本发明在通信网络障碍下12个无人机的编队队形切换示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

在无人机的飞行过程中，对于每一个无人机，只采用可以与自身通信连接成功的周围无人机的信息进行编队队形的切换。

以无人机i为研究对象，在飞行过程中，当周围m个无人机与之建立通信连接，则第n次迭代飞行时无人机i下个航路点的偏移量ΔX_i,n应为：

其中，n为迭代次数，a_ij为通信拓扑的邻接权重矩阵，此处可由0和1组成，取1为可通信，0为不可通信；m为无人机总数量；X_j和X_i分别为无人机j和无人机i的位置；X_jiref为无人机j与无人机i的期望编队位置偏差，本发明建立4个常用的队形集成为队形库，分别为横列、纵列、“V”形、倒“V”形，不同的队形库有相应的X_jiref。

则第i个无人机的下一个航路点X_i,n+1为：

X_i,n+1＝X_i,n+ΔX_i,n+d (2)

其中d为队形切换所需距离，若存在部分通信中断的情况，不断迭代更新航路点位置，通过一致性理论可证明当n→∞，可实现ΔX_ji→ΔX_jiref，即无人机之间的相对距离达到期望值，实现编队飞行。而若通信正常，只需一次计算即可实现按照期望编队飞行。

具体实施步骤如下：

步骤一：在飞行过程中，收到编队切换命令后，在所建立的队形库中选择所要切换的队形，得到X_jiref。

步骤二：每个无人机根据自身的位置信息和周围可通信上的无人机位置信息且结合步骤一中得到的X_jiref通过式(1)，计算出需要的位置偏差ΔX_i,n。

步骤三：将步骤二计算得到的ΔX_i,n代入式(2)中计算出无人机的下个航路点位置X_i,n+1。

步骤四：通过无人机自身的控制系统飞往所得到步骤三计算出的编队航路点X_i,n+1。

步骤五：若形成所期望的编队队形，则退出编队切换模式；若与所期望编队队形存在偏差，则重复上述步骤。

Claims (1)

1.一种基于航路点的分布式无人机动态编队切换方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在飞行过程中，收到编队切换命令后，在所建立的队形库中选择所要切换的队形，得到无人机j与无人机i的期望编队位置偏差X_jiref；

步骤2：每个无人机根据自身的位置信息和周围可通信上的m个无人机位置信息且结合步骤1中得到的X_jiref通过式(1)，计算出需要的位置偏差ΔX_i,n：

其中，a_ij为通信拓扑的邻接权重矩阵，此处可由0和1组成，取1为可通信，0为不可通信；n为无人机总数量；X_j和X_i分别为无人机j和无人机i的位置；

步骤3：将步骤2计算得到的ΔX_i,n代入式(2)中计算出无人机的下个航路点位置X_i,n+1：

X_i,n+1＝X_i,n+ΔX_i,n+d (2)

其中，d为队形切换所需距离；

步骤4：通过无人机自身的控制系统飞往所得到步骤3计算出的编队航路点X_i,n+1；

步骤5：若形成所期望的编队队形，则退出编队切换模式；若与所期望编队队形存在偏差，则重复上述步骤。

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