CN111399538B - 一种基于时间一致性的分布式无人机绕飞编队方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于时间一致性的分布式无人机绕飞编队方法，首先计算出计算出最远路径，根据最远路径计算分段距离长度继而局部航路点坐标，最后将局部航路点插入当前位置航路点和编队航路点中，进行绕飞飞行，在直角处进行直角转弯，在直线段进行平飞，从而可形成期望编队队形。本发明只需在无人机的动力学约束下，进行无人机到编队航路点这一阶段的局部航路点规划，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，且只需要局部4个航路点的设计，计算量小，简单实用，在工程上利于实现。

Description

一种基于时间一致性的分布式无人机绕飞编队方法

技术领域

本发明属于无人机的编队飞行技术领域，该编队方法可广泛应用于无人机的编队切换和编队集结上。

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

为了解决各无人机飞往所设计的编队航路点经过的时间不一致从而不能形成编队队形的问题，本发明提出一种基于时间一致性的分布式无人机绕飞编队方法，实现无人机在匀速飞行时的编队切换。

技术方案

一种基于时间一致性的分布式无人机绕飞编队方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在飞行过程中，收到编队切换命令或编队集结命令得到编队航路点后，根据式(1)计算出最远路径C_max：

max(C_i)+d_y＝C_max (1)

其中，d_y为垂直飞行余量，C_i为每个第i个无人机需要飞行的路径：

C_i＝Δx_i+Δy_i+Δt_i×V (2)

其中，Δx_i和Δy_i分别为第i个无人机从当前位置到编队航路点的水平距离和垂直距离；V为无人机的飞行速度；Δt_i为第i个无人机的等待时间，可根据工程实际选取，若为编队切换，Δt_i＝0，若为编队集结，则Δt_i为第i个无人机距第1个无人机的发射时间间隔；

步骤2：将无人机i飞行航路依次分为水平段①、垂直段②、水平段③、垂直段④和水平段⑤，其中水平段①、垂直段②的交点为P_i1，垂直段②、水平段③的交点为P_i2，水平段③、垂直段④的交点为P_i3，垂直段④、水平段⑤的交点为P_i4；无人机i根据式(3)以及步骤1中得到的C_max计算出①、②、③、④、⑤段的距离长度，再通过式(4)得到P_i1、P_i2、P_i3、P_i4 4个局部航路点坐标：

其中，L_1x,i、L_3x,i L_5x,i分别为无人机i①、③、⑤段的水平距离，L_2y,i和L_4y,i分别为无人机②段和④的垂直距离；r为转弯半径；

通过起始航路点坐标和①、②、③、④、⑤段距离长度计算出无人机i其余航路点坐标：

步骤3：无人机i将步骤2中得到的4个局部航路点插入当前位置航路点P_i0和编队航路点P_it中，一共为6个航路点，进行绕飞飞行，在直角处进行直角转弯，在直线段进行平飞，从而可形成期望编队队形。

步骤1中为了保证垂直方向满足2个转弯半径进行绕飞，d_y取2r。

有益效果

本发明提出的一种基于时间一致性的分布式无人机绕飞编队方法，只需在无人机的动力学约束下，进行无人机到编队航路点这一阶段的局部航路点规划，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，且只需要局部4个航路点的设计，计算量小，简单实用，在工程上利于实现。

附图说明

图1基于时间一致的编队绕飞方案

图2为本发明需仿真模拟的12个无人机的编队集结队形

图3为本发明的12个无人机的编队集结过程示意图

图4为本发明需仿真模拟的12个无人机的编队切换队形

图5为本发明的12个无人机的编队切换过程示意图

图6为本发明的12个无人机的编队集结和编队切换过程示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

在无人机飞往编队航路点时，首先以要飞最远路径的无人机为时间基准，然后规划其他无人机进行水平面的绕飞，以使最终到达编队航路点的时间趋为一致。

最远路径C_max为：

max(C_i)+d_y＝C_max (1)

其中，d_y为垂直飞行余量，以保证垂直方向满足2个转弯半径进行绕飞，一般取2r,r为转弯半径。C_i为每个第i个无人机需要飞行的路径：

C_i＝Δx_i+Δy_i+Δt_i×V (2)

其中，Δx_i和Δy_i分别为第i个无人机从当前位置到编队航路点的水平距离和垂直距离；V为无人机的飞行速度；Δt_i为第i个无人机的等待时间，可根据工程实际选取，若为编队切换，Δt_i＝0，若为编队集结，则Δt_i为第i个无人机距第1个无人机的发射时间间隔。

绕飞方案的动力学约束只需考虑转弯半径约束，其绕飞方案分为如下几段：

如图1，此方案由四个直角转弯段构成，粗实线为方案路线，分别为①、②、③、④、⑤段，虚线为考虑无人机转弯过程的实际飞行路线，实心点为无人机航路点。此方案易于设计，只需在直角转弯处予以半径为转弯半径的航路点且保证所有无人机飞行距离都相同即可，因此，设计①、②、③、④、⑤段的距离长度为：

其中，L_1x,i、L_3x,i L_5x,i分别为无人机i①、③、⑤段的水平距离，L_2y,i和L_4y,i分别为无人机②段和④的垂直距离。

通过起始航路点坐标和①、②、③、④、⑤段距离长度即可计算出无人机i其余航路点坐标：

至此，可以得到所有的局部航路点并且使无人机到达编队航路点的时间一致，从而形成编队队形。

如图2-5所示，为12个无人机的编队集结队形，具体步骤如下：

步骤一：在飞行过程中，收到编队切换命令或编队集结命令得到编队航路点后，根据式(1)计算出最远路径C_max。

步骤二：无人机i根据式(3)以及步骤一中得到的C_max计算出①、②、③、④、⑤段的距离长度，再通过式(4)得到P_i1、P_i2、P_i3、P_i4 4个局部航路点坐标。

步骤三：无人机i将步骤二中得到的4个局部航路点插入当前位置航路点P_i0和编队航路点P_it中，一共为6个航路点，进行绕飞飞行，在直角处进行直角转弯，在直线段进行平飞，从而可形成期望编队队形。

Claims (2)

1.一种基于时间一致性的分布式无人机绕飞编队方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在飞行过程中，收到编队切换命令或编队集结命令得到编队航路点后，根据式(1)计算出最远路径C_max：

max(C_i)+d_y＝C_max (1)

其中，d_y为垂直飞行余量，C_i为每个第i个无人机需要飞行的路径：

C_i＝Δx_i+Δy_i+Δt_i×V (2)

其中，Δx_i和Δy_i分别为第i个无人机从当前位置到编队航路点的水平距离和垂直距离；V为无人机的飞行速度；Δt_i为第i个无人机的等待时间，可根据工程实际选取，若为编队切换，Δt_i＝0，若为编队集结，则Δt_i为第i个无人机距第1个无人机的发射时间间隔；

步骤2：将无人机i飞行航路依次分为水平段①、垂直段②、水平段③、垂直段④和水平段⑤，其中水平段①、垂直段②的交点为P_i1，垂直段②、水平段③的交点为P_i2，水平段③、垂直段④的交点为P_i3，垂直段④、水平段⑤的交点为P_i4；无人机i根据式(3)以及步骤1中得到的C_max计算出①、②、③、④、⑤段的距离长度，再通过式(4)得到P_i1、P_i2、P_i3、P_i4 4个局部航路点坐标：

其中，L_1x,i、L_3x,iL_5x,i分别为无人机i①、③、⑤段的水平距离，L_2y,i和L_4y,i分别为无人机②段和④的垂直距离；r为转弯半径；

通过起始航路点坐标和①、②、③、④、⑤段距离长度计算出无人机i其余航路点坐标：

步骤3：无人机i将步骤2中得到的4个局部航路点插入当前位置航路点P_i0和编队航路点P_it中，一共为6个航路点，进行绕飞飞行，在直角处进行直角转弯，在直线段进行平飞，从而可形成期望编队队形。

2.根据权利要求1所述的一种基于时间一致性的分布式无人机绕飞编队方法，其特征在于步骤1中为了保证垂直方向满足2个转弯半径进行绕飞，d_y取2r。

Images