CN113867393A - 一种航迹可控的无人机编队队形重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于集群编队控制技术领域，提供一种航迹可控的无人机编队队形重构方法。本发明首先构建期望控制轨迹，然后结合固定翼无人机实际控制模型，设计控制律控制无人机趋近期望航迹，并沿期望航迹收敛到期望位置，最终到达无人机编队控制轨迹受控的效果。本发明控制思路简洁明了，将受控的编队重构问题分解为期望轨迹设计和期望轨迹跟踪两个子问题，易于在实践中实现轨迹受控的编队重构，降低了任务执行过程中编队无人机间的碰撞风险。

Description

一种航迹可控的无人机编队队形重构方法

技术领域

本发明属于集群编队控制技术领域，具体涉及一种航迹可控的无人机编队队形重构方法。

背景技术

无人机集群具有组织架构灵活、任务执行效率高和性能可靠等潜在优势，目前已在商业和国防领域得到广泛关注。在商业方面，无人机集群表演具有较强的观赏性，可根据用户需求灵活定制集群表演效果。在国防领域，无人机具有快速部署、应用灵活和政治风险低等优势，可利用多机配合提升探测和打击能力，快速高效的完成敌方区域目标的协同侦察、搜索和打击等任务。编队的设计、形成、保持和重构是无人机集群得到广泛应用的关键能力支撑。

编队的设计往往是指通过选取合适几何变量，如无人机间的期望相对距离、方位等，来描述无人机集群的期望构型的过程；编队的形成、保持和重构则是利用无人机间相对几何变量的当前值和期望值生成各无人机的控制指令，调整各自状态使得集群呈现出期望构型，以适应任务需求和环境。编队结构、信息感知与交互，和控制对象模型是设计和控制编队需要考虑的主要约束。分布式编队结构具有扩展性强、可靠性高的优势，是目前编队控制理论研究的主要研究对象，但受限于编队自组网技术尚不成熟，尚无法广泛应用于实践。通信是目前无人机间实现信息交互的主要手段，但在通信受干扰的条件下，视觉等其它信息感知和交互手段往往会作为一种重要的补充形式。控制对象模型往往将无人机视为质点模型，采用一阶或二阶微分方程近似描述其动态特性，但受无人机控制特性影响，其各方向运动具有较强的耦合性，从而使得基于线性微分方程模型设计的编队控制律，难以在实际应用中达到期望的设计性能，呈现出控制轨迹不可控的现象，引起无人机间间隔小于安全间隔距离、长僚机视线有遮挡等风险，给集群飞行带来安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提出一种轨迹可控的无人机编队控制方法，解决当前无人机集群编队控制过程中控制轨迹不可控的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的实现思路是首先构建期望控制轨迹，然后结合固定翼无人机实际控制模型，设计控制律控制无人机趋近期望航迹，并沿期望航迹收敛到期望位置，最终到达无人机编队控制轨迹受控的效果，且本发明以基于视觉的主从式编队控制为例，给出了应用示范。具体的实现步骤如下，流程图如图5所示：

第一步：根据无人机编队飞行任务需求，设计编队构型

针对不同无人机编队飞行任务和无人机编队飞行任务的不同阶段，编队往往会根据需求调整构型。例如，在执行搜索侦察任务时，会采用菱形编队；在执行攻击任务时，会采用横型编队；在穿越狭窄飞行通道时，会采用纵型编队。为简化任务执行的复杂度，在编队设计阶段需要指定一架无人机为长机，其他无人机为僚机，并进行相应编号。不失一般性，记长机为0号，其余僚机依次编号。

第二步：确定各编队构型下的各无人机期望几何约束

为便于实现编队构型的形成和重构，需要对首先完成期望编队构型的量化描述。编队在执行任务时，往往需要维持当前构型进行任意方向的机动，这要求各期望构型下的期望几何约束量对任意方向的机动具有不变性。惯性参考坐标系下的几何量不满足此要求，故采用0号长机的速度为基准，建立水平速度坐标系，如图1所示。即令x轴指向与无人机速度在当地水平坐标坐标系下的投影向量方向平行，y轴指向天，z轴指向按右手定则根据x轴和y轴指向确定。各僚机在0号长机水平速度坐标系下的期望位置矢量

按下述方法确定。

记期望构型下，0号长机和i号僚机在北天东惯性坐标系下的位置

和

分别为：

则i号僚机在0号长机水平速度坐标系下的期望位置

可表述为：

其中M_g2hv0表示北天东惯性坐标系到水平速度坐标系的转换矩阵，由长机航迹偏航角θ₀决定。矢量

在北天东坐标系下的各轴分量表示如下：

任务执行前，各僚机预加载期望构型下其在0号长机水平速度坐标系下的期望位置。

第三步：测量无人机编队控制需要的状态信息

对于可利用通信进行状态信息交互的无人机编队，各僚机可首先通过数据链直接获取长机的位置p_0,g、速度信息v_0,g，然后结合自身的位置信息p_i,g、速度信息v_i,g计算长僚机的相对位置r_i0,g、相对速度v_i0,g。

对于在通信拒止环境下执行任务的无人机编队，各僚机可通过视觉传感器首先感知长机图像信息，然后结合已知的长机模型、视觉传感器的焦距、像元宽度等信息，基于投影成像原理解算长僚机相对位置信息r_i0,g，最后利用滤波解算长僚机相对速度信息v_i0,g。

利用北天东惯性坐标系到长机水平速度坐标系的转换矩阵M_g2hv0可得各僚机与长机相对位置、相对速度在长机水平速度坐标系下的表示：

实际飞行过程中，对于基于通信进行信息交互的编队可直接利用长机速度信息v_0,g计算M_g2hv0；对于基于视觉感知的编队，各僚机首先需结合自身的速度v_i,g和长僚机相对速度滤波估计值v_i0,g解算长机速度值v_0,g，然后再据此计算M_g2hv0。

第四步：根据构型切换信号规划切换航迹

任务执行过程中，为可靠高效的完成指定任务，同时满足适应环境的需求，编队构型往往需要动态调整。当收到编队调整指令后，各无人机由当前位置调整到期望构型下的期望位置时，为避免无人机间出现碰撞风险，其收敛轨迹应无重叠。对于采用视觉感知长僚机相对状态的无人机编队，各僚机在与长机的视线连线上应不存在其它僚机遮挡视线的情况。对于一些其它想定任务，收敛轨迹往往还存在其它特殊约束。以收敛轨迹无重叠、视线无遮挡和任务特殊性要求为约束，结合无人机当前位置和期望调整的位置规划期望收敛航迹。规划后的航迹通常为航路点序列，同时考虑到编队构型是以各僚机在长机水平速度坐标系下相对于长机的位置定义，因此，各僚机位置调整时的期望航迹亦以航路点在长机水平速度坐标系下的位置来定义，即可以表达为：

其中

为期望构型下i号僚机在0号长机水平速度坐标系下的期望相对位置。

第五步：确定当前时刻期望位置、期望速度

僚机期望位置和期望速度的确定需要综合考虑僚机当前的位置和期望航迹，下面分首次进入航迹调整阶段和非首次进入航迹调整讨论。

(1)僚机首次进入航迹调整阶段

当僚机首次进入航迹调整阶段时，僚机结合自身位置和期望航迹下的各航路点位置确定其期望位置、期望速度；具体操作如下，记各僚机当前相对于长机的位置在长机水平速度坐标系下可表示为r_i0,hv0，按航迹点先后顺序依次取

和

计算r_i0,hv0到

和

连线所在直线的距离，记d_i,i+1，并定义r_i0,hv0到航迹各相邻航路点连线距离形成的集合为D＝{d_1,2,d_2,3,…,d_n-1,n},取最小距离对应的两相邻航路点连线为当前僚机进入期望航迹的切入口。

①工况1

若有图2所示工况1，在首次进入航迹调整阶段时，僚机距航路点

和

连线的直线距离最近，且其在航路点

和

所在直线的垂直投影点位于由

指向

连线的延长线上，即有：

其中

和

分别表示期望航路点

到无人机当前位置r_i0,hv0和期望航路点

的向量，则记无人机当前时刻对应期望位置

和期望速度

为：

其中v^*表示期望速度的大小。在确定期望位置和期望速度后，将航迹中所有满足k≤i的航路点

均标记为经过点。

②工况2

若有图3所示工况2，在首次进入航迹调整阶段时，僚机距航路点

和

连线的直线距离最近，且其在航路点

和

所在直线的垂直投影点位于

和

间的连线上，即有：

其中

和

分别表示期望航路点

到无人机当前位置r_i0,hv0和期望航路点

的向量，则记无人机当前时刻对应期望位置

和期望速度

为：

其中

表示

的单位矢量

在确定期望位置和期望速度后，将航迹中所有满足k≤i的航路点

均标记为经过点。

③工况3

若在首次进入航迹调整阶段时，僚机距航路点

和

连线的直线距离最近，且其在航路点

和

所在直线的垂直投影点位于由

指向

连线的延长线上，即有：

则

其中j＝n对应于图4所示工况3，即僚机距离航迹中最后两个航路点连线的直线距离最近，且其在航路点

和

所在直线的垂直投影点位于由

指向

连线的延长线上；

(2)非首次进入编队

当僚机处于非首次进入航迹调整阶段时，若航路点中存在未经过航路点，取航路点

和

其中

为期望航迹中下标最小的未经过航路点，i＝j-1。若i＝1，则其对应期望位置和速度为：

若

则其对应期望位置和期望速度为：

若

则

并将航路点置为经过航路点。

若航路中所有航路点均为经过点，则对应期望位置和速度为：

第六步：生成编队控制指令，实现构型切换

各僚机利用当前时刻在长机水平速度坐标系下的相对位置r_i0,hv0和相对速度v_i0,hv0，以及其当前时刻在期望航迹下的期望位置

和期望速度

计算僚机在长机水平速度坐标系下的编队控制指令a_i,hv0＝[a_x,i0,hv0 a_y,i0,hv0 a_z,i0,hv0]^T如下：

其中Δx_i0,hv0、Δy_i0,hv0、Δz_i0,hv0、Δv_x,i0,hv0、Δv_y,i0,hv0和Δv_z,i0,hv0分别表示位置偏差和速度偏差在水平速度坐标系下的各轴分量。

根据相对位置和相对速度的定义可知僚机加速度指令a_r,i在其水平速度坐标系下的各轴分量a_x,i0、a_y,i0和a_z,i0如下式所示：

a_x,i＝-a_x,i0 a_y,i＝-a_y,i0 a_z,i＝-a_z,i0 (20)

k_x,i0、k_vx,i0、k_y,i0、k_vy,i0、k_z,i0和k_vz,i0为各轴位置偏差分量和速度偏差分量对应的控制增益。记无人机固定翼无人机滚转通道和俯仰通道的响应带宽分别为

和ω_c,ψ，轴向推力的响应带宽为ω_c,p,则为了僚机侧向和法向控制的稳定性和响应品质：

考虑到固定翼无人机的运动方程可用下式近似：

其中x_i,g、y_i,g和z_i,g分别为i号僚机在北天东坐标系下的位置，v_i、θ_i,g和ψ_i,g分别为i号僚机的速度大小、速度倾角和航迹偏航角，a_i,r,v、a_i,r,θ和a_i,r,ψ分别为i号僚机的实际轴向加速度、法向加速度和侧向加速度，a_i,c,v、a_i,c,θ和a_i,c,ψ为i号僚机的指令轴向加速度、法向加速度和侧向加速度，T_i,v、T_i,θ和T_i,ψ分别表示飞行器轴向加速度、法向加速度和侧向加速度指令对应的执行机构执行时间系数。

鉴于此，需要将长机水平速度坐标系下的僚机编队控制指令转换到僚机速度坐标系下，即有：

a_i,vi＝M_g2vi[M_g2hv0]^Ta_i,hv0 (23)

其中M_g2vi为北天东惯性坐标系到i号僚机速度坐标系的转换矩阵，由僚机速度倾角θ_i,g和航迹偏航角ψ_i,g决定，a_i,vi为编队控制指令加速度在i号僚机速度坐标系上的表示。

a_i,vi＝[a_i,c,v a_i,c,θ a_i,c,ψ]^T (24)

第七步：执行指令，并判断是否终止飞行任务

各僚机根据编队控制指令调整舵偏，同时按第三步实施方式要求测量长僚机相对状态和自身状态，生成任务执行状态，并判断是否终止飞行任务。无人机编队终止飞行任务的方式主要有自主终止和指令终止两种。自主终止是编队飞行前预加载终止判断条件，无人机编队执行任务的过程中，会实时结合自己测得的状态比对任务终止条件，若满足任务终止条件，则按预定设计航迹返航；若不满足终止条件，则继续按预加载模式执行任务。指令终止是地面指控端对无人机编队实时返回的任务执行状态进行判断、进而发送继续执行任务和终止任务的指令，在接收到终止任务的指令后，按预设航迹返航。

本发明的有效收益如下：

1、本发明控制思路简洁明了，将受控的编队重构问题分解为期望轨迹设计和期望轨迹跟踪两个子问题。

2、本发明紧密结合实际，考虑固定翼无人机飞行位置和期望轨迹的相对几何关系，分类讨论并明确给出了各工况下的无人机期望飞行状态；考虑固定翼无人机运动特性和执行机构动态特性设计编队控制律，使得各僚机快速收敛期望飞行状态。

3、本发明易于实现固定翼无人机的编队重构，降低了任务执行过程中编队无人机间的碰撞风险。

附图说明

图1是北东天坐标系到水平速度坐标系的转换示意图；

图2是本发明僚机首次进入航迹调整阶段工况1示意图；

图3是本发明僚机首次进入航迹调整阶段工况2示意图；

图4是本发明僚机首次进入航迹调整阶段工况3示意图；

图5是本发明实现流程示意图；

图6是本发明实施例菱形编队和纵队效果示意图；

图7是菱形编队与纵队间的切换航迹示意图；

图8是本发明实施例四机编队在长机水平速度坐标系下的投影图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明进行解释和说明。

实施例1

本实施例由四架固定翼无人机组成的编队为例，各无人机仅能利用所携带的视觉传感器获取目标图像信息，并结合已知的长机模型信息解算相对距离、相对速度信息。本实施例的实现过程包括如下步骤：

第一步：确定切换编队构型。针对想定无人机编队任务，指定需要完成四机菱形编队到纵队的简单切换，如图6所示，并结合各无人机功能配置依次指令0号长机、1号僚机、2号僚机和3号僚机，其中僚机必须挂载视觉传感器载荷，长机则可以不挂载。

第二步：确定编队期望构型的相对几何关系。结合任务需求和固定翼无人机尺寸及飞行安全需要，确定菱形编队下各无人机在长机水平速度坐标系下的位置：

r_10,hv0＝[30,30,-10]^T,r_20,hv0＝[30,-30,-20]^T,r_30,hv0＝[60,0,-30]^T

纵队下各无人机在长机水平速度坐标系下的位置：

r_10,hv0＝[25,0,-10]^T,r_20,hv0＝[50,0,-20]^T,r_30,hv0＝[75,0,-30]^T

为避免出现碰撞风险，这里令各无人机在不同的高度飞行。无人机执行任务前将编队构型下的相对几何关系加载到各无人机。

第三步：测量和解算飞机间的相对状态信息。在各无人机按预设任务流程起飞后，各无人机在飞行过程中，各僚机利用陀螺仪、加速度计等惯导设备获悉自身在北天东坐标系下的位置p_i,g和速度v_i,g等状态信息，利用视觉传感器实时获取长机图像信息并据此解算和估计长僚机相对位置r_i0,g和相对速度信息v_i0,g，然后再解算长机速度信息v_0,g：

v_0,g＝v_i,g+v_i0,g

然后据此解算北天东坐标系到长机水平速度坐标系的转换矩阵M_g2hv0：

其中

第四步：状态判断。各无人机利用测量和解算的状态信息，首先判断是否已完成预定任务，若认定已完成预设任务，则按预设策略返航；若认定未完成预设任务，则判断当前是否收到构型切换指令。若收到切换指令，则更新编队期望构型为待切换构型，进入下一步；若未收到切换指令，则进一步判断是否从起飞后始终未收到过切换指令，若未收到，则设置当前期望构型为缺省默认构型，进入第六步；若曾收到过切换指令，则将上一时刻的编队期望构型为期望构型，维持期望切换航迹，进入第六步。

第五步：设计编队重构期望切换航迹。在无人机编队未收到构型切换指令时，各无人机按缺省设置形成和维持编队构型；在收到构型切换信号后，为避免编队切换过程中发生碰撞等危险事故，又考虑到各僚机切换位置时仅能获取长机信息，故设计如下切换航迹，实现菱形编队与纵队的切换，切换效果如图7所示。

可以看出1号和2号无人机的切换航迹呈“L”型航迹切换构型，3号无人机沿直线航迹切换构型，因此，对于1号和2号无人机可以三个航路点信息表征期望航迹：

其中：

对于3号无人机可以用两个航路点信息表征期望航迹：

其中：

第六步：确定期望位置和速度。若当前编队为缺省构型，无人机未曾收到过构型切换指令，则令各无人机的期望位置为其在期望构型下的期望位置，期望速度方向为当前位置指向期望位置，期望速度大小由当前点距离期望位置点的距离决定，若距离小于2，则根据距离的减小线性将速度大小减小到0；若距离大于2，则将期望速度大小设为2；若为其它情况，则按上文所述各种工况分别确定，对于期望速度，若无人机当前时刻期望位置对应为航迹终点，则令其大小v为：

若无人机当前时刻期望位置为其它点，则期望速度大小为2。速度的方向按上文所述方法确定。

第七步：编队指令生成，并执行。通过数值仿真，图8给出了菱形编队和纵队的切换航迹在长机水平速度坐标系下的水平投影效果。指令执行后，返回到第三步，并在第四步判断是否终止任务、是否切换编队等。

Claims (4)

1.一种航迹可控的无人机编队队形重构方法,其特征在于，包括如下步骤：

第一步：根据不同无人机编队飞行任务和无人机编队飞行任务的不同阶段，设计无人机编队构型；在无人机编队设计阶段指定一架无人机为长机，其他无人机为僚机，并进行相应编号；

第二步：确定各编队构型下的各无人机期望几何约束

采用长机的速度为基准，建立水平速度坐标系，即令x轴指向与无人机速度在当地水平坐标坐标系下的投影向量方向平行，y轴指向天，z轴指向按右手定则根据x轴和y轴指向确定；各僚机在长机水平速度坐标系下的期望位置矢量

按下述方法确定；

记期望构型下，长机和i号僚机在北天东惯性坐标系下的位置

和

分别为：

则i号僚机在长机水平速度坐标系下的期望位置

可表述为：

其中M_g2hv0表示北天东惯性坐标系到水平速度坐标系的转换矩阵，由长机航迹偏航角θ₀决定，矢量

在北天东坐标系下的各轴分量表示如下：

任务执行前，各僚机预加载期望构型下其在长机水平速度坐标系下的期望位置；

第三步：测量无人机编队控制需要的状态信息

利用北天东惯性坐标系到长机水平速度坐标系的转换矩阵M_g2hv0可得各僚机与长机相对位置、相对速度在长机水平速度坐标系下的表示：

第四步：根据构型切换信号规划切换航迹

各僚机位置调整时的期望航迹亦以航路点在长机水平速度坐标系下的位置来定义，即可以表达为：

其中

为期望构型下i号僚机在长机水平速度坐标系下的期望相对位置；

第五步：确定当前时刻期望位置、期望速度

(1)僚机首次进入航迹调整阶段

当僚机首次进入航迹调整阶段时，僚机结合自身位置和期望航迹下的各航路点位置确定其期望位置、期望速度，记各僚机当前相对于长机的位置在长机水平速度坐标系下可表示为r_i0,hv0，按航迹点先后顺序依次取

和

计算r_i0,hv0到

和

连线所在直线的距离，记d_i,i+1，并定义r_i0,hv0到航迹各相邻航路点连线距离形成的集合为D＝{d_1,2,d_2,3,…,d_n-1,n},取最小距离对应的两相邻航路点连线为当前僚机进入期望航迹的切入口；

①工况1

在首次进入航迹调整阶段时，僚机距航路点

和

连线的直线距离最近，且其在航路点

和

所在直线的垂直投影点位于由

指向

连线的延长线上，即有：

其中

和

分别表示期望航路点

到无人机当前位置r_i0,hv0和期望航路点

的向量，则记无人机当前时刻对应期望位置

和期望速度

为：

其中v^*表示期望速度的大小，在确定期望位置和期望速度后，将航迹中所有满足k≤i的航路点

均标记为经过点；

②工况2

在首次进入航迹调整阶段时，僚机距航路点

和

连线的直线距离最近，且其在航路点

和

所在直线的垂直投影点位于

和

间的连线上，即有：

其中

和

分别表示期望航路点

到无人机当前位置r_i0,hv0和期望航路点

的向量，则记无人机当前时刻对应期望位置

和期望速度

为：

其中

表示

的单位矢量

在确定期望位置和期望速度后，将航迹中所有满足k≤i的航路点

均标记为经过点；

③工况3

若在首次进入航迹调整阶段时，僚机距航路点

和

连线的直线距离最近，且其在航路点

和

所在直线的垂直投影点位于由

指向

连线的延长线上，即有：

则

其中j＝n对应工况3，即僚机距离航迹中最后两个航路点连线的直线距离最近，且其在航路点

和

所在直线的垂直投影点位于由

指向

连线的延长线上；

(2)僚机非首次进入航迹调整阶段

若航路点中存在未经过航路点，取航路点

和

其中

为期望航迹中下标最小的未经过航路点，i＝j-1；若i＝1，则其对应期望位置和速度为：

若

则其对应期望位置和期望速度为：

若

则

并将航路点置为经过航路点；

若航路中所有航路点均为经过点，则对应期望位置和速度为：

第六步：生成编队控制指令，实现构型切换

各僚机利用当前时刻在长机水平速度坐标系下的相对位置r_i0,hv0和相对速度v_i0,hv0，以及其当前时刻在期望航迹下的期望位置

和期望速度

计算僚机在长机水平速度坐标系下的编队控制指令a_i,hv0＝[a_x,i0,hv0 a_y,i0,hv0 a_z,i0,hv0]^T如下：

其中Δx_i0,hv0、Δy_i0,hv0、Δz_i0,hv0、Δv_x,i0,hv0、Δv_y,i0,hv0和Δv_z,i0,hv0分别表示位置偏差和速度偏差在水平速度坐标系下的各轴分量；

将长机水平速度坐标系下的僚机编队控制指令转换到僚机速度坐标系下，即有：

a_i,vi＝M_g2vi[M_g2hv0]^Ta_i,hv0 (23)

其中M_g2vi为北天东惯性坐标系到i号僚机速度坐标系的转换矩阵，由僚机速度倾角θ_i,g和航迹偏航角ψ_i,g决定，a_i,vi为编队控制指令加速度在i号僚机速度坐标系上的表示：

a_i,vi＝[a_i,c,v a_i,c,θ a_i,c,ψ]^T (24)

第七步：执行指令，并判断无人机编队是否终止飞行任务

各僚机根据编队控制指令调整舵偏，同时按第三步实施方式要求测量长僚机相对状态和自身状态，生成任务执行状态，并判断是否终止飞行任务。

2.根据权利要求1所述的一种航迹可控的无人机编队队形重构方法,其特征在于，所述第一步中记长机为0号，其余僚机依次编号。

3.根据权利要求1所述的一种航迹可控的无人机编队队形重构方法,其特征在于，所述第三步，对于基于通信进行信息交互的编队可直接利用长机速度信息v_0,g计算M_g2hv0；对于基于视觉感知的编队，各僚机首先需结合自身的速度v_i,g和长僚机相对速度滤波估计值v_i0,g解算长机速度值v_0,g，然后再据公式(5)计算M_g2hv0。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种航迹可控的无人机编队队形重构方法,其特征在于，所述第七步无人机编队终止飞行任务的方式主要有自主终止和指令终止两种；

自主终止是编队飞行前预加载终止判断条件，无人机编队执行任务的过程中，会实时结合自己测得的状态比对任务终止条件，若满足任务终止条件，则按预定设计航迹返航；若不满足终止条件，则继续按预加载模式执行任务；

指令终止是地面指控端对无人机编队实时返回的任务执行状态进行判断、进而发送继续执行任务和终止任务的指令，在接收到终止任务的指令后，按预设航迹返航。

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