CN114020036A - 一种多无人机编队阵型变换时的防碰撞方法 - Google Patents

Abstract

一种无人机编队自动完成阵型变换中防碰撞的方法，基于若干无人机及指挥调度中心即地面指挥基站；放飞无人机，无人机编队保持初始阵型飞行，指挥人员通过地面基站用高速通信方式与无人机上的高速通信模块进行控制和收发数据，实时掌控无人机在阵型中的水平位置，同时运用能够检测无人机自身高度的气压计定位模块进行高度校准，保持无人机编队在同一初始高度。无人机编队状态能根据实际情况实时更新，保证安全情况下尽可能减少需要改动飞行路线的无人机数量，通过调度中心下达阵型变换指令，根据预设好的“临界值”，计算出“距离矩阵”和“风险矩阵”，检查各无人机飞行路线间距离与“临界值”关系，分别发出正常飞行、调整路线和解除风险命令。

Description

一种多无人机编队阵型变换时的防碰撞方法

技术领域

本发明涉及一种多无人机编队阵型变换时的防碰撞方法，尤其是利用动态矩阵算法的一多无人机编队阵型变换时的自动防碰撞方法。

背景技术

现有技术公开的中国专利申请CN109814594A一种无人机群防碰撞控制方法、装置及计算机可读存储介质，包括：统计无人机群中每架无人机当前的空间坐标和飞行速度；结合每架无人机当前的空间坐标和飞行速度判断未来第一预设时间是否会发生碰撞事件；统计分析未来第一预设段时间内会发生无人机碰撞事件的次数；按碰撞事件发生的时间顺序对每架无人机发生碰撞事件的次数进行排序；根据所述无人机发生碰撞次数的顺序，调整无人机的航线或速度。所述无人机群防碰撞控制方法，判断未来第一预设时间是否会发生碰撞事件的方法，包括：统计每架无人机当前的空间坐标和飞行速度；以当前无人机群中的无人机的最高和最低坐标为界线，按高度坐标将无人机群所在的空间区域进行分割；以当前无人机群中的无人机的水平方向坐标的最大值和最小值为界线，对空间区域进行再次分割，实现对无人机飞行区域的网格化管理；结合无人机的飞行速度，判断相邻网格内的无人机在第二预设时间内是否会发生碰撞。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述无人机群防碰撞控制方法，包括：判断相邻网格内是否都有无人机存在，若不是都存在无人机，则不可能发生碰撞事件；当相邻网格内都有无人机，则判断相邻网格内的无人机的航线是否有交集，若无交集，则不可能发生碰撞事件；当相邻网格内的无人机到达航线交集的时刻一致时，按预期发生碰撞的时间顺序调整对应的无人机的航线和速度，然后再分析相邻网格内的无人机到达航线交集的时刻是否一致，直至航线和速度优化至不发生碰撞事件；先调整对应的无人机的速度，再改变无人机的航向角；将传送无人机信号的信道分成间隔的时序，将相隔的时序划分成一组以形成第一时序段及第二时序段，所述第一时序段及第二时序段分配一半的信号传输节点在该段中传输数据。

CN107918403A公开了一种多无人机飞行轨迹协同规划的实现方法，包括：无人机之间通信的方法；主从跟随模式协同飞行的轨迹规划方法；区域划分模式协同飞行的轨迹规划方法；热点环绕模式协同飞行的轨迹规划方法；飞行轨迹有交叉时的无人机碰撞避免方法。可以解决单一无人机完成任务能力有限的局限，使用多无人机协同完成较大的复杂任务；三种协同飞行模式，能够解决各种无人机协同任务，碰撞避免由相向飞行的无人机自行完成,不需要中心控制节点干预等优点。所述无人机飞行轨迹协同规划的实现方法，飞行轨迹有交叉时的无人机碰撞避免方法为：无人机在空中飞行时，打开空中直连模式彼此通信，在直连通信信道上，每一架无人机都定时发送其飞行轨迹信息，包括航向、速度等，各无人机从而能够得知其附近无人机的详细飞行轨迹情况，并结合自己的飞行轨迹信息进行计算，预判断是否存在碰撞的可能性，如果判断存在可能性，则其对自身的飞行速度进行调整，调快或调慢一个小的增量值，随后，使用直连通信信道广播自己新的飞行轨迹信息，所有无人机在交换新飞行轨迹信息后，进行新一轮碰撞预测计算，如果仍存在碰撞可能，则进行新一轮调整，否则，按已调整后的飞行轨迹执行飞行，通过调整速度而非航向，无人机可以在飞行几何轨迹不发生改变的前提下实现碰撞避免。

随着无人机技术的进展和成本的降低，其应用越来越广。单一无人机受其飞行时间和范围的限制，能够完成的任务有限。多无人机协同工作，可以完成较复杂和庞大的飞行任务。现在出现了很多多无人机协同完成飞行任务的场景，诸如无人机集群测绘山区地形、无人机集群表演或完成区域巡检排查安全隐患任务等。在多无人机编队飞行的场景中，经常会需要变换飞行阵型，而当飞行范围狭窄、集群中无人机密度过高时，容易发生无人机飞行干扰甚至碰撞危险。

要做到无人机编队阵型变换时自动完成防碰撞，需要一整套基于动态矩阵的无人机飞行碰撞风险预警系统，使无人机完成阵型变换路径规划，自动解除碰撞风险和实现升降高度等任务。

在现实的无人机编队阵型变换场景中，在附近场地布置调度中心即地面指挥基站。放飞无人机，无人机编队保持初始阵型飞行，指挥人员通过地面基站用高速通信方式与无人机上的高速通信模块进行控制和收发数据，实时掌控无人机在阵型中的水平位置。本发明能够确保无人机编队状态能根据实际情况实时更新，保证安全情况下尽可能减少需要改动飞行路线的无人机数量。

发明内容

本发明的目的是，提出一种多无人机编队阵型变换时的防碰撞方法和装置。尤其是建立基于动态矩阵的无人机飞行碰撞风险预警系统。使无人机完成阵型变换路径规划，自动解除碰撞风险和实现升降高度等任务。

本发明依托无人机飞控平台，并充分利用了多种模块，实现无人机编队在二维阵型变换的应用，解决了多无人机在阵型变换时可能导致的相互干扰甚至发生碰撞等问题。本发明依托于平衡性能以及具有任意方向飞行能力的无人机系统；可接入高速网络的通信模块；具有GPS或/与北斗定位经纬度模块；带有能够用于检测无人机自身高度气压计定位模块。

本发明的技术方案是，一种无人机编队自动完成阵型变换中防碰撞的方法，基于若干无人机及指挥调度中心，所有的无人机由调度中心统一调配；在多无人机进行可能导致相互干扰甚至碰撞的阵型变换前，可以在附近场地布置调度中心即地面指挥基站；放飞无人机，无人机编队保持初始阵型飞行，指挥人员通过地面基站用高速通信方式与无人机上的高速通信模块进行控制和收发数据，实时掌控无人机在阵型中的水平位置，同时运用能够检测无人机自身高度的气压计定位模块进行高度校准，保持无人机编队在同一初始高度。确保每个无人机状态良好。

本发明能够确保无人机编队状态能根据实际情况实时更新，保证安全情况下尽可能减少需要改动飞行路线的无人机数量，通过调度中心下达阵型变换指令，根据预设好的“临界值”，自动计算出“距离矩阵”和“风险矩阵”，检查各无人机飞行路线间距离与“临界值”关系，分别发出正常飞行、调整路线和解除风险命令。若无人机在“风险矩阵”中对应“风险个数”为0，则正常飞行；若无人机“风险个数”最大，则首先对该无人机下达调整路线指令，降低无人机飞行高度；若无人机已降低飞行高度或无人机“风险个数”变为0，则状态变更为解除风险。对无人机编队控制飞行路线，自动检测碰撞风险并解除，完成阵型变换任务。

调度中心会定时刷新所有飞行无人机的水平位置及高度信息，依次计算阵型变换预设路线中飞行中无人机与其他各个无人机的最近距离，更新“距离矩阵”及“风险矩阵”。

所述方法还包括：对于下达阵型变换初始“风险个数”为0的无人机，可以利用其携带的GPS、北斗定位模块等进行位置精确定位，作为参考修正优化其他可能具有“风险个数”的无人机位置等信息，改善距离计算精度。

所述方法还包括：根据无人机编队历史飞行功率和飞行速度范围，计算出在阵型变换飞行路径大致所需时间，可以在设定时间上限的情况下，反馈到制定预设飞行路径的过程，便于提出更优路径选择。

所述方法还包括：根据无人机的硬件尺寸、螺旋桨转速(飞行速度)以及飞行风速，调整“临界值”的选取，在优化“风险个数”的界定的同时，尽量减少需要变更飞行路径的无人机数量。

所述装置还包括：加速度传感器模块，用于监测各无人机的飞行加速度状况，在正常飞行和未接收到指令的情况下精确进行相对无人机编队静止的飞行；

指南针、GPS、北斗定位经纬度模块，用于收集和调整无人机编队在二维阵型中的位置信息；

高速通信模块，用于无人机编队与调度中心之间的高速通信；

调度中心计算与储存模块，用于快速计算无人机编队阵型变换路径的无人机间最近距离，以及实时存储无人机的飞行状态；

气压计定位模块，根据高度不同气压存在气压差，通过测量不同位置的气压，计算压差获得当前无人机的高度。

所述方法还包括：无人机可设计为含有能提供多个方向推力动力系统的装置，在改变飞行高度时能尽量保持前行速度大小和飞行姿态，在编队中无人机调整高度的不会导致水平相对位置改变，保证提前计算好的“距离矩阵”的准确性。

本发明的有益效果，本发明涉及无人机集群编队自动完成碰撞检测和碰撞解除方法，尤其是多无人机编队阵型变换时的防碰撞方法和装置，涉及多无人机调度和自动控制等领域。风险矩阵法是一种能够把危险发生的可能性和伤害的严重程度综合评估风险大小的定性的风险评估分析方法。它是一种风险分析工具，主要用于风险评估领域。本发明率先将方法用于多无人机管理与控制。

本发明建立自动规划路径解除飞行碰撞风险必须要建立一整套智能及自动的无人机飞行控制及计算系统。满足现实应用场景中的各种需要，在无人机调度中心对无人机编队信号良好且行为可控的位置范围内，可以实现无人机编队按照预设飞行阵型变换规则进行变换，无人机飞行控制及计算系统必须要做到能够在设定好变换阵型的情况下自动进行碰撞风险评估和风险解除，从而安全无误地进行阵型变换。

本发明能够解决多无人机编队阵型变换时难以协调、存在飞行器相互干扰或碰撞的问题，本发明根据无人机硬件尺寸、螺旋桨转速、飞行风速并根据实际需求设置碰撞距离临界值，检查无人机在阵型变换中和其他无人机飞行路径最近距离与临界值关系，分别发出正常飞行、调整路线和解除风险命令。本发明能够确保无人机的飞行状态实时更新，保证飞行安全情况下尽可能减少需要变更路径的无人机数量。

附图说明：

图1无人机防碰撞方法的流程图；

图2调度中心的结构框图；

图3无人机的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，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。

随着无人机技术的进展和成本的降低，其应用越来越广。单一无人机受其飞行时间和范围的限制，能够完成的任务有限。多无人机协同工作，可以完成较复杂和庞大的飞行任务。现在出现了很多多无人机协同完成飞行任务的场景，诸如无人机集群测绘山区地形、无人机集群完成区域巡检排查安全隐患任务等。在多无人机编队飞行的场景中，经常会需要变换飞行阵型，而当飞行范围狭窄、集群中无人机密度过高时，容易发生无人机飞行干扰甚至碰撞危险。

要做到无人机全自动化在变换飞行阵型中防碰撞必须能够使无人机能自动检测碰撞风险，但是现在缺乏一种多无人机集群编队自动防碰撞的有效方法。

本发明实施例的第一方面提供一种多无人机编队阵型变换时的防碰撞方法和装置，所述方法包括：所有无人机由调度中心同一调配，每一台无人机都能够单独地对调度中心的指令做出相应的反应。

1.确保各无人机与调度中心通信正常且各无人机能够对控制中心的指令迅速作出反应，在此情况下，保持无人机原有阵型匀速飞行，保持无人机间相对静止，存储各无人机在保持阵型时的位置点。

无人机内嵌的加速度传感器模块，能够监测各无人机的飞行加速度状况，在正常飞行和未接收到指令的情况下精确进行相对无人机编队各无人机相对静止的飞行(相同的速度控制指令)。。

根据现有的无人机集群飞行范围、无人机硬件尺寸、螺旋桨转速以及飞行风速，预先制定并调整“临界值”的选取，“临界值”代表无人机飞行轨迹中保证不发生干扰或碰撞的距离要求，无人机飞行中不应与其他无人机的距离小于或等于“临界值”。

根据预设无人机编队阵型变换，调度中心自动计算出各无人机与其他每一个无人机在预计航道中相隔距离的最小值，存入计算机存储中的“距离矩阵”。

2.调度中心下达阵型变换指令后，自动计算各无人机在预设的阵型变换飞行路线中与其他各无人机在阵型变换飞行路线中两两之间的路线间最短距离，并存储在“距离矩阵”中。假设编队中有n个无人机，则“距离矩阵”中右上三角应存储有计算好的数值；特别地，假如某无人机a在该预设的编队阵型变换时无需改变相对位置，即保持匀速直线飞行，则在计算该无人机a在距离矩阵中的相关数值时，以自身为“参考点”计算点到其他各无人机阵型变换预设飞行路线的最短距离并存储到“距离矩阵”中第a行数值，这些数值表示的是该无需改变相对位置的无人机a与其他各无人机在阵型变换飞行路线中的最短距离。在保证各无人机飞行不会被相互干扰的前提下设定某一特定距离数值R作为“临界值”。一般地，各无人机在任何飞行时刻与其他各无人机之间的距离都不应小于“临界值”，从而保证多无人机编队在阵型变换时避免相互干扰与碰撞。

此外无人机飞行阵型信息由无人机编队阵型管理系统生成，无人机编队阵型管理系统测出即时无人机的飞行路线和编队的飞行阵型，根据任务提前拟合好的轨迹路径函数计算出最优阵型变换路径，再根据此次飞行编队阵型变换中各无人机间的预飞行轨迹计算出无人机的碰撞风险。

3.在计算“距离矩阵”前，应设定好“临界值”R，并在距离矩阵中的下三角和对角线所有数值中自动填入2R。在计算“距离矩阵”时，假设编队中总共有n个无人机，以第a个无人机为例，第a个无人机与第1个无人机、第2个无人机、···、第n个无人机之间的距离分别存储在“距离矩阵”中的第a行第1列数值、第a行第2列数值、···、第a行第n列数值。

4.在“距离矩阵”计算完毕后，分别以矩阵对角线上各个元素所在的行和列计算其所在行和列的所有元素中数值小于或等于“临界值”R的个数，得到n个“风险个数”并存入一个n行1列的“风险矩阵”中。以第a个无人机为例，计算出“距离矩阵”中第a行以及第a列的数值中小于或等于“临界值”R的个数m，并将m称为第a个无人机的“风险个数”，意味着第a个无人机在阵型变换过程中存在与其他m个无人机的距离小于“临界值”R的可能性，有导致无人机间相互干扰甚至碰撞的风险，将数值m存入“风险矩阵”的第a行。至此，得到一个“距离矩阵”以及一个“风险矩阵”。若“风险矩阵”中数值均为0，则进入步骤7；若“风险矩阵”中数值不全为0，则进入步骤5。

距离矩阵中，根据预设阵型变换路线，设定“临界值”R值，计算各无人机在航线中的最小距离，得出“距离矩阵”，在距离矩阵中右上三角填入各无人机在阵型变换过程路线中与其他各无人机路线的最短距离，其他元素以2R填充。

5.找出“风险矩阵”中最大的数值对应的无人机，(若存在多个同时最大则依次控制每一个无人机)，调度中心下达控制指令，控制该“风险”无人机下降高度，至与原来无人机所在高度保持安全距离的下方，同时将该无人机所在“距离矩阵”中对应的行和列的全部数据自动修改为2R，得到一个新的“距离矩阵”，再次计算该新“距离矩阵”对应的“风险矩阵”，此时新得到的“风险矩阵”中已下降高度的无人机对应数值应已经变为0。进入步骤6。

具体地，计算该新“距离矩阵”对应的“风险矩阵”方法，在该新“距离矩阵”计算完毕后，分别以矩阵对角线上各个元素所在的行和列计算其所在行和列的所有元素中数值小于或等于“临界值”R的个数，得到n个“风险个数”并存入一个n行1列的“风险矩阵”中。

具体地，在每一次将具有最大“风险个数”的无人机下降高度后，运用该无人机的加速度传感器以及气压计定位模块监测无人机下降高度过程是否完成，当加速度传感器显示无人机竖直方向加速度为0且气压计定位模块显示无人机高度不变时表明该无人机下降高度过程已完成。一般地，在每次一架具有最大“风险个数”的无人机完成下降高度过程后，更新“距离矩阵”和“风险矩阵”。

具体的实施例，假定无人机编队无人机数量为n，在“风险矩阵”中发现第a个无人机对应的“风险个数”最大(即第a个无人机在阵型变换中与其他无人机碰撞的风险最大)，则调度中心对无人机a进行下降高度控制，同时控制该无人机向前飞行的速度和方向保持不变，确保在该无人机下降高度的过程中仅相对于无人机编队下降高度而不改变前后相对位置。具体地，在下降该无人机的过程中，不对下降的速度做具体要求，但应确保该无人机在下降高度过程中飞行状况良好，飞行姿态平稳。一般地，下降的高度为临界值R，“临界值”代表无人机飞行轨迹中保证不发生干扰或碰撞的距离要求，无人机飞行中不应与其他无人机的距离小于或等于“临界值”。在无人机a下降高度过程完成后，调度中心更新“距离矩阵”和“风险矩阵”，具体地，将“风险矩阵”中第a行的全部数据和第a列的全部数据更新为数值2R，得到一个新的“距离矩阵”，接着更新“风险矩阵”，根据该新得到的“距离矩阵”，分别以矩阵对角线上各个元素所在的行和列计算其所在行和列的所有元素中数值小于或等于“临界值”R的个数，得到n个“风险个数”并存入一个n行1列的新“风险矩阵”中。

6.对新得到的“风险矩阵”，重复步骤5，逐次下降具有最大“风险”的无人机，并不断更新“距离矩阵”和“风险矩阵”，直至“风险矩阵”中的数值全部变为0时进入步骤7

7.调度中心下达指令，所有无人机在保持自己所在高度，按照原先预设好的水平面阵型变换飞行航线飞行到对应水平位置，在等待所有上层高度无人机阵型变换结束后，所有下层高度的无人机上升高度到与上层无人机同一高度，完成阵型变换。

本发明无人机的风险与控制主要是通过在二维位置的设定，在通过下降风险机的方式来避险(此方式最快，可在0.2秒内完成)，因为有不同高度能规避风险，下一刻各无人机仍按原来的路径规划飞行，路径规划飞行一段时间后(10秒30秒)，在二维位置满足2R无风险时再升到同平面。

具体地，无人机的风险与控制没有方向的控制来实现规避风险，本发明中所述方法规避无人机阵型变换中碰撞的具体控制是在二维竖直方向上，将具有碰撞风险的无人机按照“风险个数”下降风险机来实现规避风险，风险的判定核心是基于动态“距离矩阵”和“风险矩阵”。在改变风险机高度后，上下不同高度层的无人机在各自高度按照原有水平二维方向上的路径规划进行飞行，无人机运用无人机的加速度传感器以及GPS监测无人机水平飞行过程是否完成，当加速度传感器显示无人机水平方向加速度为0且GPS显示无人机位置不变时表明各无人机水平飞行变换阵型部分已完成，调度中心监测各无人机距离满足大于“临界值”R后，下层无人机上行至与上层无人机同一高度。具体地，在上升下层无人机的过程中，不对上升的速度做具体要求，但应确保该无人机在上升高度过程中飞行状况良好，飞行姿态平稳。

具体地，上层无人机运用无人机的加速度传感器以及GPS监测无人机阵型变换过程是否完成，当加速度传感器显示无人机水平方向加速度为0且GPS显示无人机位置不变时表明上层无人机阵型变换已完成。上层无人机阵型变换完成后，所有下层高度的无人机上升高度到与上层无人机同一高度，运用上升的无人机的加速度传感器以及气压计定位模块监测无人机上升高度过程是否完成，当加速度传感器显示无人机竖直方向加速度为0且气压计定位模块显示无人机高度与上层无人机相等时表明该无人机上升高度过程已完成。所有下层高度的无人机上升高度到与上层无人机同一高度，完成阵型变换。

本发明实施例的另一方面提供一种多无人机编队阵型变换时的防碰撞装置，所述装置包括：

加速度传感器模块，用于监测各无人机的飞行加速度状况，在正常飞行和未接收到指令的情况下精确进行相对无人机编队静止的飞行；

指南针、GPS、北斗定位经纬度模块，用于收集和调整无人机编队在二维阵型中的位置信息；

高速通信模块，用于无人机编队与调度中心之间的高速通信；

调度中心计算与储存模块，用于快速计算无人机编队阵型变换路径的无人机间最近距离，以及实时存储无人机的飞行状态；

气压计定位模块，根据高度不同气压存在气压差，通过测量不同位置的气压，计算压差获得当前无人机的高度。

可选的，无人机可设计为含有能提供多个方向推力动力系统的装置，在改变飞行高度时能尽量保持前行速度大小和飞行姿态，在编队中无人机调整高度的不会导致水平相对位置改变，保证提前计算好的“距离矩阵”的准确性。

本发明能够确保每架无人机都能自动完成阵型变换并防止飞行干扰或碰撞，保证安全情况下尽可能减少需要改动飞行路线的无人机数量。

本发明能够确保无人机编队状态能根据实际情况实时更新，通过调度中心下达阵型变换指令，根据预设好的“临界值”，自动计算出“距离矩阵”和“风险矩阵”，检查各无人机飞行路线间距离与“临界值”关系，分别发出正常飞行、调整路线和解除风险命令。

若无人机在“风险矩阵”中对应“风险个数”为0，则正常飞行；若无人机“风险个数”最大，则首先对该无人机下达调整路线指令，降低无人机飞行高度；一般地，下降的高度为临界值R，“临界值”代表无人机飞行轨迹中保证不发生干扰或碰撞的距离要求，无人机飞行中不应与其他无人机的距离小于或等于“临界值”。若无人机已降低飞行高度或无人机“风险个数”变为0，则状态变更为解除风险。对无人机编队控制飞行路线，自动检测碰撞风险并解除，完成阵型变换任务。

获取无人机位置及高度信息的方法中，包括但不限定于以下方式：指南针、GPS、北斗定位经纬度模块，用于收集和调整无人机编队在二维阵型中的位置信息；在无人机集群编队飞行的有效控制范围内，按距离间隔安装定位基站或定位雷达，加以无人机自带的定位模块由调度中心统一进行数据收集与数据分析，精确计算出每架无人机的位置及高度信息，为航道规划、计算“距离矩阵”提供更准确的数据。

具体地，调度中心应能够实时获取无人机位置及高度信息。

在一种优选的实施方式中，所述无人机群防碰撞控制方法还包括：

对于下达阵型变换初始“风险个数”为0的无人机，可以利用其携带的GPS、北斗定位模块等进行位置精确定位，作为参考修正优化其他可能具有“风险个数”的无人机位置等信息，改善距离计算精度。

在一种优选的实施方式中，所述方法还包括：

根据无人机编队历史飞行功率和飞行速度范围，计算出在阵型变换飞行路径大致所需时间，可以在设定时间上限的情况下，反馈到制定预设飞行路径的过程，便于提出更优路径选择。

具体地，在制定需要在规定时间内完成无人机阵型变换的任务方案时，根据无人机飞行的历史数据包括飞行速度、飞行加速度、飞行风速等，可以预计算无人机在该次无人机阵型变换过程中所需的时间，若不能在规定时间内完成阵型变换任务，则可以重新制定更优的飞行路径，直至满足在规定时间内完成阵型变换任务。

应当理解的是，本发明中的多无人机集群编队阵型变换防碰撞方法和装置可用在所有多无人机集群编队需要变换阵型完成任务的场景，并非仅仅背景介绍中的无人机集群测绘山区地形、无人机集群完成区域巡检排查安全隐患等。

应当理解的是，在调度中心计算能力范围内，本发明中的多无人机集群编队数量并非仅仅能够是实施例中的数量，而可以是任意多的无人机数量n，则生成的“距离矩阵”大小也相应地变换为n×n，对应“风险矩阵”大小相应为n×1。

无人机集群编队阵型变换动态矩阵算法实施例：

1.以4个无人机编队为例，算法运行前所有无人机都已处于一个固定阵型稳定飞行的状态

2.根据预设阵型变换路线，设定“临界值”R值，计算各无人机在航线中的最小距离，得出“距离矩阵”，如下图，设定R值为50(cm)，距离矩阵中右上三角填入一次实施例的距离值，其他元素以2R填充，其中对角线元素也应以2R填充，因为对角线上的第i个元素代表的是第i个无人机与自己的最短距离，该数值不作用与判断无人机间碰撞风险，因此以2R填充，而2R代表该数值不会增加“风险个数”：

3.在“距离矩阵”计算完毕后，根据该“距离矩阵”计算“风险矩阵”，分别以矩阵对角线上各个元素所在的行和列计算其所在行和列的所有元素中数值小于或等于“临界值”R的个数，得到4个风险个数并存入一个4行1列的“风险矩阵”中。具体地在此实施例中，“距离矩阵”中第一行和第一列数值中有1个数值“30”小于“临界值”R，因此“风险矩阵”第一行为1；“距离矩阵”中第二行和第二列数值中有2个数值“30”和“20”小于“临界值”R，因此“风险矩阵”第二行为2；“距离矩阵”中第三行和第三列数值中有2个数值“20”和“50”小于或等于“临界值”R，因此“风险矩阵”第三行为2；“距离矩阵”中第四行和第四列数值中有1个数值“50”等于“临界值”R，因此“风险矩阵”第四行为1：

4.找出“风险矩阵”中最大的数值对应的无人机2和3，调度中心下达控制指令，先控制无人机2下降高度，同时将该无人机所在“距离矩阵”中对应的行和列的全部数据自动修改为某一大于临界值R的数值(此处填入2R)，得到一个新的距离矩阵

5.再次计算该新“距离矩阵”对应的“风险矩阵”，此时新得到的“风险矩阵”中已下降高度的无人机2对应数值应已经变为0。具体地在此实施例中，该新“距离矩阵”中第一行和第一列数值中没有数值小于或等于“临界值”R，因此“风险矩阵”第一行为0；该新“距离矩阵”中第二行和第二列数值中没有数值小于或等于“临界值”R，因此“风险矩阵”第二行为0；该新“距离矩阵”中第三行和第三列数值中有1个数值“50”等于“临界值”R，因此“风险矩阵”第三行为1；“距离矩阵”中第四行和第四列数值中有1个数值“50”等于“临界值”R，因此“风险矩阵”第四行为1：

6.此次找出“风险矩阵”中最大的数值对应的无人机3和4，调度中心下达控制指令，先控制无人机3下降高度，同时将该无人机所在“距离矩阵”中对应的行和列的全部数据自动修改为某一大于临界值R的数值(此处填入2R)，得到一个新的距离矩阵

7.计算该新“距离矩阵”对应的“风险矩阵”，可以发现“风险矩阵”中元素均已全部为0

8.调度中心下达指令，所有无人机在保持自己所在高度，按照原先预设好的水平面阵型变换飞行航线飞行到对应水平位置，在等待所有上层高度无人机阵型变换结束后，所有下层高度的无人机上升高度到与上层无人机同一高度，完成阵型变换。

Claims (5)

1.一种无人机编队自动完成阵型变换中防碰撞的方法，其特征是，基于若干无人机及指挥调度中心即地面指挥基站；放飞无人机，无人机编队保持初始阵型飞行，指挥人员通过地面基站用高速通信方式与无人机上的高速通信模块进行控制和收发数据，实时掌控无人机在阵型中的水平位置，同时运用能够检测无人机自身高度的气压计定位模块进行高度校准，保持无人机编队在同一初始高度。确保每个无人机状态良好；

无人机编队状态能根据实际情况实时更新，保证安全情况下尽可能减少需要改动飞行路线的无人机数量，通过调度中心下达阵型变换指令，根据预设好的“临界值”，自动计算出“距离矩阵”和“风险矩阵”，检查各无人机飞行路线间距离与“临界值”关系，分别发出正常飞行、调整路线和解除风险命令；

若无人机在“风险矩阵”中对应“风险个数”为0，则正常飞行；若无人机“风险个数”最大，则首先对该无人机下达调整路线指令，降低无人机飞行高度；若无人机已降低飞行高度或无人机“风险个数”变为0，则状态变更为解除风险；

对无人机编队控制飞行路线，自动检测碰撞风险并解除，完成阵型变换任务；

调度中心会定时刷新所有飞行无人机的水平位置及高度信息，依次计算阵型变换预设路线中飞行中无人机与其他各个无人机的最近距离，更新“距离矩阵”及“风险矩阵”；

对于下达阵型变换初始“风险个数”为0的无人机，利用其携带的GPS、北斗定位模块等进行位置精确定位，作为参考修正优化其他可能具有“风险个数”的无人机位置等信息，改善距离计算精度；

根据无人机的硬件尺寸、螺旋桨转速(飞行速度)以及飞行风速，调整“临界值”的选取，在优化“风险个数”的界定的同时，尽量减少需要变更飞行路径的无人机数量；

根据无人机编队历史飞行功率和飞行速度范围，计算出在阵型变换飞行路径大致所需时间，在设定时间上限的情况下，反馈到制定预设飞行路径的过程，便于提出更优路径选择。

2.根据权利要求1所述的无人机编队自动完成阵型变换中防碰撞的方法，其特征是，

所述装置还包括：加速度传感器模块，用于监测各无人机的飞行加速度状况，在正常飞行和未接收到指令的情况下精确进行相对无人机编队静止的飞行；

指南针、GPS、北斗定位经纬度模块，用于收集和调整无人机编队在二维阵型中的位置信息；

高速通信模块，用于无人机编队与调度中心之间的高速通信；

调度中心计算与储存模块，用于快速计算无人机编队阵型变换路径的无人机间最近距离，以及实时存储无人机的飞行状态；

气压计定位模块，根据高度不同气压存在气压差，通过测量不同位置的气压，计算压差获得当前无人机的高度。

所述方法还包括：无人机可设计为含有能提供多个方向推力动力系统的装置，在改变飞行高度时能尽量保持前行速度大小和飞行姿态，在编队中无人机调整高度的不会导致水平相对位置改变，保证提前计算好的“距离矩阵”的准确性。

3.根据权利要求1所述的无人机编队自动完成阵型变换中防碰撞的方法，其特征是，规避无人机阵型变换中碰撞的具体控制是在二维竖直方向上，将具有碰撞风险的无人机按照“风险个数”下降风险机来实现规避风险，风险的判定核心是基于动态“距离矩阵”和“风险矩阵”；在通过下降风险机的方式来避险，因为有不同高度能规避风险，下一刻各无人机仍按原来的路径规划飞行，路径规划飞行一段时间后(10秒-30秒)，在二维位置满足2R无风险时再升到同平面。

4.根据权利要求3所述的无人机编队自动完成阵型变换中防碰撞的方法，其特征是，上下不同高度层的无人机在各自高度按照原有水平二维方向上的路径规划进行飞行，无人机运用无人机的加速度传感器以及GPS监测无人机水平飞行过程是否完成，当加速度传感器显示无人机水平方向加速度为0且GPS显示无人机位置不变时表明各无人机水平飞行变换阵型部分已完成，调度中心监测各无人机距离满足大于“临界值”R后，下层无人机上行至与上层无人机同一高度。

5.根据权利要求4所述的无人机编队自动完成阵型变换中防碰撞的方法，其特征是，在上升下层无人机的过程中，不对上升的速度做具体要求，但应确保该无人机在上升高度过程中飞行状况良好，飞行姿态平稳；上层无人机运用无人机的加速度传感器以及GPS监测无人机阵型变换过程是否完成，当加速度传感器显示无人机水平方向加速度为0且GPS显示无人机位置不变时表明上层无人机阵型变换已完成；上层无人机阵型变换完成后，所有下层高度的无人机上升高度到与上层无人机同一高度，运用上升的无人机的加速度传感器以及气压计定位模块监测无人机上升高度过程是否完成，当加速度传感器显示无人机竖直方向加速度为0且气压计定位模块显示无人机高度与上层无人机相等时表明该无人机上升高度过程已完成；所有下层高度的无人机上升高度到与上层无人机同一高度，完成阵型变换。

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