CN113495572B - 一种可拓展分布式无人机编队控制方法 - Google Patents

一种可拓展分布式无人机编队控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种可拓展分布式无人机编队控制方法，属于无人机技术领域。包括以下步骤：建立无人机编队数学模型；基于一致性控制律实现编队稳定；执行寻找空位算法确定编队空位；待加入无人机与编队无人机建立通讯并加入编队。基于分布式算法，得到编队中每架无人机的空位方向，使待加入无人机可以顺利加入编队，形成一定的队形，提高了编队的可拓展性，同时不需要对待加入无人机进行特别的设置，实现了编队的稳定拓展。

Description

一种可拓展分布式无人机编队控制方法
技术领域
本发明涉及无人机技术领域，具体为一种可拓展分布式无人机编队控制方法。
背景技术
无人机是一种可重复使用的无人驾驶飞行器，与有人机相比具有高机动性、低成本的特点。无人机编队飞行，旨在将一定数量的无人机按一定队形排列，在飞行途中保持队形不变。
无人机编队控制方法主要分为集中式与分布式两种，集中式控制要求存在一个控制站向所有无人机发送控制指令，分布式控制不需要对每架飞机进行单独控制，每架无人机通过与邻近无人机的信息交互实现编队形成与保持，无论是集中式还是分布式编队都要求建立通讯网络。集中式编队控制需要在每架无人机与控制站间建立通讯网络，分布式编队控制要求在无人机间建立通讯网络，确保存在有向生成树。此外，目前对于无人机编队的可拓展问题研究较少，由于编队控制采用分布式算法，因此每架无人机无法获得整体编队情况及空位信息，使得编队拓展存在困难。
发明内容
针对背景技术中指出的问题，本发明提出一种可拓展分布式无人机编队控制方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种可拓展分布式无人机编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立无人机编队数学模型；
步骤2：基于一致性控制律实现编队稳定；
步骤3：执行寻找空位算法确定编队空位
步骤3.1：在空域中，编队中空间位置相邻的无人机之间建立通讯拓扑结构，进行位置信息、速度信息的双向交换；
步骤3.2：计算编队无人机在编队坐标系下的位置
Figure GDA0003254589420000021
公式(1)中，ψ为航向角，[x'i、y'i、z'i]为在编队坐标系下第i架无人机的位置，[xi、yi、zi]为在惯性坐标系下第i架无人机的位置；
步骤3.3：根据通讯拓扑结构，第i架无人机与其相邻的无人机的距离差为：
Figure GDA0003254589420000022
disx表示第i架无人机与相邻无人机在OX1轴方向的距离差，disy表示第i架无人机与相邻无人机在OY1轴方向的距离差；
利用disx与disy的正负判断相邻的第i架无人机与第j架无人机之间的相对位置关系，基于通讯拓扑建立规则，当disx或disy出现0项时，则第i架无人机周围存在空位；
步骤4：待加入无人机与编队无人机建立通讯并加入编队
待加入无人机与最近的有空位无人机建立单向通讯，待加入无人机获得有空位无人机的位置信息、速度信息，待加入无人机靠近有空位无人机后两者的距离在一定范围内，待加入无人机与有空位无人机建立双向通讯，根据通讯拓扑结构，待加入无人机进入有空位无人机的空位中，并按照步骤2中的一致性控制律加入编队。
优选地，步骤1中，
定义惯性坐标系OXYZ，其中O为惯性坐标系原点与起始点固联，OX轴在水平面内随机确定，OZ轴向上垂直于水平面，OY轴与OX、OZ轴构成右手坐标系；
定义编队坐标系OX1Y1Z1，其中O为惯性坐标系原点，OX1轴在水平面内指向航向方向，OZ1轴向上垂直于水平面，OY1轴与OX1、OZ1构成右手坐标系；
所述无人机编队数学模型如下式所示：
Figure GDA0003254589420000031
公式(3)中，vxi、vyi、vzi分别代表第i架无人机在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴三个方向的速度；axi、ayi、azi分别代表第i架无人机在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴三个方向的加速度。
优选地，步骤二中，利用如下控制律实现编队稳定：
Figure GDA0003254589420000041
公式(4)中，
Figure GDA0003254589420000042
为第i架无人机在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴三个方向的期望速度，aij代表第i架无人机和第j架无人机之间通讯拓扑
结构中对应的元素，若第i架无人机接受到第j架无人机的信息，则aij＝1，i,j＝1,2,…,n,i≠j，反之aij＝0，Rx、Ry、Rz为第i架无人机和第j架无人机之
间的期望距离，基于上述控制律实现编队稳定，编队稳定定义如下：
||xi-xj-Rx(i,j)||→0
||yi-yj-Ry(i,j)||→0
||zi-zj-Rz(i,j)||→0 (5)。
综上所述，本发明的有益效果为：
基于分布式算法，得到编队中每架无人机的空位方向，使待加入无人机可以顺利加入编队，形成一定的队形，提高了编队的可拓展性，同时不需要对待加入无人机进行特别的设置，实现了编队的稳定拓展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的编队通讯拓扑与编队构型对应图；
图2为本发明的编队初始构型与编队通讯拓扑示意图；
图3为本发明的编队拓展立体结果图；
图4为本发明的编队拓展平面结果图；
图5为本发明的编队拓展流程图。
附图中符号及标号说明如下：
N-不满足条件；
Y-满足条件；
虚线为待加入无人机；
实线为编队无人机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如下参考图1-5对本发明进行说明：
一种可拓展分布式无人机编队控制方法，包括以下步骤：
以下采用的是某型号无人机作为研究对象，实验环境为2.6GHz、16G内存、Matlab2019b版本。
步骤1：建立无人机编队数学模型
定义惯性坐标系OXYZ，其中O为惯性坐标系原点与起始点固联，OX轴在水平面内随机确定，OZ轴向上垂直于水平面，OY轴与OX、OZ轴构成右手坐标系；
定义编队坐标系OX1Y1Z1，其中O为惯性坐标系原点，OX1轴在水平面内指向航向方向，OZ1轴向上垂直于水平面，OY1轴与OX1、OZ1构成右手坐标系；
无人机编队数学模型如下式所示：
Figure GDA0003254589420000061
公式(3)中，vxi、vyi、vzi分别代表第i架无人机在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴三个方向的速度；axi、ayi、azi分别代表第i架无人机在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴三个方向的加速度。
步骤2：基于一致性控制律实现编队稳定
利用如下控制律实现编队稳定：
Figure GDA0003254589420000062
公式(4)中，
Figure GDA0003254589420000063
为第i架无人机在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴三个方向的期望速度，分别设为：
Figure GDA0003254589420000071
aij代表第i架无人机和第j架无人机之间通讯拓扑结构中对应的元素，若第i架无人机接受到第j架无人机的信息，则aij＝1，i,j＝1,2,…,n,i≠j，反之aij＝0，Rx、Ry、Rz为第i架无人机和第j架无人机之间的期望距离，基于上述控制律实现编队稳定，编队稳定定义如下：
||xi-xj-Rx(i,j)||→0
||yi-yj-Ry(i,j)||→0
||zi-zj-Rz(i,j)||→0 (5)
其中邻接拓扑矩阵、期望距离矩阵设置如下：
Figure GDA0003254589420000072
Figure GDA0003254589420000073
Rx＝0n×n (8)
Rz＝0n×n (9)
在空域内共投放9架无人机其中1-8架为编队无人机，第9架为待加入无人机。编队构型与通讯拓扑如图2所示。每架无人机初始位置、初始速度、航向角如下表所示：
Figure GDA0003254589420000081
步骤3：执行寻找空位算法确定编队空位
步骤3.1：在空域中，编队中空间位置相邻的无人机之间根据通讯拓扑建立原则建立通讯拓扑结构如图1所示，进行位置信息、速度信息的双向交换。基于通讯拓扑建立原则，每架无人机最多与四架邻近无人机建立通讯。待加入无人机与编队中无人机的通讯遵循就近原则，即待加入无人机就近与有空位的无人机建立通讯，同时待加入无人机预设了一个距离值。
9号无人机与编队中无人机的通讯建立编遵循就近原则，即待加入无人机就近与有空位的无人机建立通讯，同时9号无人机预设了一个距离值10。
步骤3.2：计算编队无人机在编队坐标系下的位置
Figure GDA0003254589420000091
公式(1)中，ψ为航向角，[x'i、y'i、z'i]为在编队坐标系下第i架无人机的位置，[xi、yi、zi]为在惯性坐标系下第i架无人机的位置；
步骤3.3：根据通讯拓扑结构，第i架无人机与其相邻的无人机的距离差为：
Figure GDA0003254589420000092
公式(2)由公式(1)变换得出，disx表示第i架无人机与相邻无人机在OX1轴方向的距离差，disy表示第i架无人机与相邻无人机在OY1轴方向的距离差。
利用disx与disy的正负判断相邻的第i架无人机与第j架无人机之间的相对位置关系，基于通讯拓扑建立规则，当disx或disy出现0项时，则第i架无人机周围存在空位；
步骤4：待加入无人机与编队无人机建立通讯并加入编队
待加入无人机与最近的有空位无人机建立单向通讯，待加入无人机获得有空位无人机的位置信息、速度信息，待加入无人机靠近有空位无人机后两者的距离在一定范围内，待加入无人机与有空位无人机建立双向通讯，根据通讯拓扑结构，待加入无人机进入有空位无人机的空位中，并按照步骤2中的一致性控制律加入编队。
以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (3)

1.一种可拓展分布式无人机编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立无人机编队数学模型；
步骤2：基于一致性控制律实现编队稳定；
步骤3：执行寻找空位算法确定编队空位
步骤3.1：在空域中，编队中空间位置相邻的无人机之间建立通讯拓扑结构，进行位置信息、速度信息的双向交换；
步骤3.2：计算编队无人机在编队坐标系下的位置
Figure FDA0003254589410000011
公式(1)中，ψ为航向角，[x'i、y'i、z'i]为在编队坐标系下第i架无人机的位置，[xi、yi、zi]为在惯性坐标系下第i架无人机的位置；
步骤3.3：根据通讯拓扑结构，第i架无人机与其相邻的无人机的距离差为：
Figure FDA0003254589410000012
disx表示第i架无人机与相邻无人机在OX1轴方向的距离差，disy表示第i架无人机与相邻无人机在OY1轴方向的距离差；
利用disx与disy的正负判断相邻的第i架无人机与第j架无人机之间的相对位置关系，基于通讯拓扑建立规则，当disx或disy出现0项时，则第i架无人机周围存在空位；
步骤4：待加入无人机与编队无人机建立通讯并加入编队
待加入无人机与最近的有空位无人机建立单向通讯，待加入无人机获得有空位无人机的位置信息、速度信息，待加入无人机靠近有空位无人机后两者的距离在一定范围内，待加入无人机与有空位无人机建立双向通讯，根据通讯拓扑结构，待加入无人机进入有空位无人机的空位中，并按照步骤2中的一致性控制律加入编队。
2.根据权利要求1所述的一种可拓展分布式无人机编队控制方法，其特征在于，步骤1中，
定义惯性坐标系OXYZ，其中O为惯性坐标系原点与起始点固联，OX轴在水平面内随机确定，OZ轴向上垂直于水平面，OY轴与OX、OZ轴构成右手坐标系；
定义编队坐标系OX1Y1Z1，其中O为惯性坐标系原点，OX1轴在水平面内指向航向方向，OZ1轴向上垂直于水平面，OY1轴与OX1、OZ1构成右手坐标系；
所述无人机编队数学模型如下式所示：
Figure FDA0003254589410000021
公式(3)中，vxi、vyi、vzi分别代表第i架无人机在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴三个方向的速度；axi、ayi、azi分别代表第i架无人机在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴三个方向的加速度。
3.根据权利要求1所述的一种可拓展分布式无人机编队控制方法，其特征在于，步骤二中，利用如下控制律实现编队稳定：
Figure FDA0003254589410000031
公式(4)中，
Figure FDA0003254589410000032
为第i架无人机在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z轴三个方向的期望速度，aij代表第i架无人机和第j架无人机之间通讯拓扑结构中对应的元素，若第i架无人机接受到第j架无人机的信息，则aij＝1，i,j＝1,2,…,n,i≠j，反之aij＝0，Rx、Ry、Rz为第i架无人机和第j架无人机之间的期望距离，基于上述控制律实现编队稳定，编队稳定定义如下：
||xi-xj-Rx(i,j)||→0
||yi-yj-Ry(i,j)||→0
||zi-zj-Rz(i,j)||→0 (5)。
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