CN116203991A - 一种基于轨迹参数通信的无人机集群控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于轨迹参数通信的无人机集群控制方法及系统，本发明首先由领航无人机划分轨迹并计算当前分段轨迹参数；其次领航无人机将当前分段轨迹参数按照设定的通信消息格式封装，并向其通信范围内的跟随无人机发布轨迹参数消息；然后跟随无人机订阅来自领航无人机的轨迹参数消息，并向领航无人机通信范围之外的跟随无人机转发轨迹参数消息；最后跟随无人机根据接收的轨迹参数计算本机飞行轨迹；并依据该飞行轨迹行驶。本发明通过传递飞行路径参数，不仅能够减少通信的数据量，也能够减少信息交换的频次。跟随无人机接收到领航无人机的信息后，仅需要简单的计算，即可完成一段时间内的路径规划，分布式地实现编队控制，维持集群轨迹一致性。

Description

一种基于轨迹参数通信的无人机集群控制方法及系统

技术领域

本发明涉及无人机通信技术和集群控制领域，涉及一种基于轨迹参数通信的无人机集群控制方法及系统。

背景技术

随着各领域对无人机应用的需求日益扩大，单个无人机有限的计算能力和飞行距离已经不能满足大型任务的需求，多无人机系统应运而生。由于无人机集群的行动通常受任务驱动，为保证集群中的无人机的轨迹具有一致性，集群通常以编队的方式行进。根据通信方式的不同，可以将机群的控制方法分为集中式控制方法、分布式控制方法以及分散式控制方法。

多无人机控制方法中，以“领航-跟随”的集中式控制方法最为常见；其优点在于复杂的多个个体之间问题可以转换成单个个体的运动情况研究，可以有效降低个体研究数量。然而该方法也存在缺点，即整个无人机编队系统的稳定性都由领航者决定，依赖性较强。一旦领航者出现问题，整个系统将出现崩溃。此外由于无人机的计算资源和通信资源都不够充足，因此，当无人机之间进行过于频繁的信息或通信交换时，会容易导致网络拥塞，信息失去实时性，无人机对领导者的命令反应滞后，从而影响无人机集群的行动一致性。

专利授权号CN110825116B的中国专利公开了基于时变网络拓扑的无人机编队方法，属于无人机控制技术领域。其包括S1无人机向其邻居无人机发送其t时刻的速度和位置，并接收来自于其邻居无人机发送的t时刻的位置和速度；S2根据无人机与其所有邻居无人机t时刻的位置和速度，计算无人机的编队控制器的输出ui(t)；S3根据无人机t时刻的输出ui(t)、速度和位置，计算无人机下一时刻的速度和位置，并调整无人机；S4判断无人机t+1时刻的速度和位置是否满足设定条件，若满足，则完成编队，否则，令t＝t+1，并返回步骤S1。该专利所提出的编队方法解决了在通信环境较差，多条通信链路不能很好维持情况下，无人机很难形成设定的编队队形航行至目的地的问题。

发明内容

本发明考虑到无人机的有限通信带宽、有限计算能力以及外界通信条件影响等因素，提出了一种基于轨迹参数通信的无人机集群控制方法及系统。

本发明的第一方面提供了一种基于轨迹参数通信的无人机集群控制方法，该方法包括：

步骤1：领航无人机划分轨迹并计算当前分段轨迹参数，包括轨迹类型，领航机当前位置坐标，辅助参数以及行驶方向。

步骤2：领航无人机将当前分段轨迹参数按照设定的通信消息格式封装，并向其通信范围内的跟随无人机发布轨迹参数消息。

步骤3：跟随无人机订阅来自领航无人机的轨迹参数消息，并向领航无人机通信范围之外的跟随无人机转发轨迹参数消息。

步骤4：跟随无人机根据接收的轨迹参数计算本机飞行轨迹；并依据该飞行轨迹行驶，同时准备重新订阅下一段的轨迹信息。

本发明的第二方面提供了一种基于轨迹参数通信的无人机集群控制系统，包括：

分段轨迹参数计算模块，用于领航无人机划分轨迹并计算当前分段轨迹参数；

轨迹参数消息发布模块，用于领航无人机将当前分段轨迹参数按照设定的通信消息格式封装，并向其通信范围内的跟随无人机发布轨迹参数消息；

轨迹参数消息转发模块：用于跟随无人机订阅来自领航无人机的轨迹参数消息，并向领航无人机通信范围之外的跟随无人机转发轨迹参数消息；

本机飞行轨迹计算模块：用于跟随无人机根据接收的轨迹参数计算本机飞行轨迹；并依据该飞行轨迹行驶，同时准备重新订阅下一段的轨迹信息。

本发明的有益效果在于：

1)本发明克服了在集中式无人机集群控制系统中带来的信息交换频率过高，信息交换数据量过高的问题。相比与传统“领航-跟随”拓扑下亦步亦趋的集群控制方式，本发明提出的方案能够优化在编队控制中使用的通信带宽资源，将更多的通信和计算资源留给集群任务中使用。

2)本发明将编队控制任务分布式地部署在各个跟随无人机上，降低了领航无人机的中心作用，能够有效缓解网络中由领航者失效带来的集群失控情况。通过传递重要参数，降低了传统亦步亦趋式跟随飞行中对唯一领航者的依赖性。

在飞行过程中如若出现单点故障，由于各个无人机在沿当前轨迹飞行过程中仅受自身计算结果引导，且参数信息以广播形式传输，每个跟随无人机无固定领航无人机，故任一领航无人机的故障不会立即对其余无人机的后续行为造成不良影响。

3)本发明能够支持在通信受限的条件实现集群的编队控制。由于本发明不需要无人机之间长时间保持通信连接，仅在各段轨迹飞行起始阶段进行少量数据的传输，即可完成各无人机的飞行轨迹计算，因此在通信环境受限或通信资源受限的环境下，本发明能够体现出一定的优越性。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是本发明领航无人机的轨迹参数处理流程图；

图3是本发明跟随无人机的轨迹参数处理流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施列1：

请参考图1所示，图1为本发明一种基于轨迹参数通信的无人机集群控制方法流程图。本实施例包括如下步骤：

步骤1：设计DDS通信方式下用于集群控制的通信消息格式，包括：轨迹类型域(uint8型)，领航机当前位置坐标域([double,double]，一对变量)，辅助参数域([double,double]，一对变量)，行驶方向域(double型)。

步骤2：领航无人机划分轨迹并计算当前分段轨迹参数，包括轨迹类型，领航机当前位置坐标，辅助参数(轨迹曲线所在圆的圆心坐标/直线行驶距离)以及行驶方向。

步骤3：领航无人机将轨迹参数按照DDS自定义消息格式封装，并向其通信范围内的跟随无人机发布轨迹参数消息。

步骤4：跟随无人机订阅来自领航无人机的轨迹参数消息，并向领航无人机通信范围之外的跟随无人机转发轨迹参数消息。

步骤5：跟随无人机根据接收的轨迹参数计算本机飞行轨迹。

步骤6：跟随无人机按照计算轨迹行驶，并准备重新订阅下一段的轨迹信息。

实施列2：

请参考图2所示，图2为本发明实施例2中领航无人机的轨迹参数处理流程图。该方法在实施例1步骤2过程中实现，该方法包括如下步骤：

步骤2.1：根据领航无人机起点位置、当前轨迹段终点位置，以及任一途径点，确定轨迹类型。当轨迹起点、终点与途径点位于同一条直线上时，轨迹为直线型(类型代码0)，否则为曲线型(类型代码1)；

步骤2.2：根据轨迹类型确定辅助参数域内容。如果轨迹类型为直线型，则辅助参数域为行驶距离；若轨迹类型为曲线型，则根据不在同一直线上的三点确定一个圆的数学原理，计算以三点，即领航无人机起点位置、当前轨迹段终点位置，以及任一途径点，为顶点的三角形三边中垂线的交点坐标，即计算曲线所在圆的圆心坐标，并将该值填入辅助参数域中；

步骤2.3：确定行驶方向。若轨迹类型为直线型，则行驶方向为磁罗盘方向；若轨迹类型为曲线型，则根据预计行驶轨迹长度，使用弧长公式计算行驶方向，若按照轨迹圆顺时针方向行驶，则行驶方向为正值，反之为负值。

实施列3：

请参考图3所示，图3为本发明实施例3中跟随无人机的轨迹参数处理流程图。该方法在实施例1步骤5过程中实现，该方法包括如下步骤：

步骤5.1：解析轨迹类型，若类型代码为0，则为直线型轨迹，若类型代码为1，则为曲线型轨迹。

步骤5.2：若轨迹为直线型，则根据行驶方向和行驶距离即可确定本机的行驶轨迹；若轨迹为曲线型，则跟随无人机由得到的领航无人机的位置和本机位置，以及领航机所在轨迹圆的圆心位置，根据平行四边形法则，确定跟随机本机的轨迹圆圆心坐标，同时，若行驶方向值为正，则按照顺时针方向沿圆形轨迹行驶相应弧度，否则，按照逆时针方向沿圆形轨迹行驶相应弧度。

本申请实施例提供的无人机集群控制方法可应用于终端中，也可应用于服务器端中，还可以是运行于终端或服务器端中的软件。在一些实施例中，终端可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机等；服务器端可以配置成独立的物理服务器，也可以配置成多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以配置成提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务、CDN以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器，但并不局限于以上形式。

综上，本申请实施例在编队控制和维持中，通过传递飞行路径参数，不仅能够减少通信的数据量，也能够减少信息交换的频次。跟随无人机接收到领航无人机的信息后，仅需要简单的计算，即可完成一段时间内的路径规划，分布式地实现编队控制，维持集群轨迹一致性。与背景技术中所涉及专利相比，本申请计算复杂度更小，通信频次更少，效率更高，受多次通信延迟的影响较小，因此在飞行过程中对编队保持的效果更好。

本申请实施例描述的实施例是为了更加清楚的说明本申请实施例的技术方案，并不构成对于本申请实施例提供的技术方案的限定，本领域技术人员可知，随着技术的演变和新应用场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用本领域技术人员可以理解的是，图中示出的技术方案并不构成对本申请实施例的限定，可以包括比图示更多或更少的步骤，或者组合某些步骤，或者不同的步骤。

Claims (8)

1.一种基于轨迹参数通信的无人机集群控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：领航无人机划分轨迹并计算当前分段轨迹参数，包括轨迹类型，领航机当前位置坐标，辅助参数以及行驶方向；

步骤2：领航无人机将当前分段轨迹参数按照设定的通信消息格式封装，并向其通信范围内的跟随无人机发布轨迹参数消息；

步骤3：跟随无人机订阅来自领航无人机的轨迹参数消息，并向领航无人机通信范围之外的跟随无人机转发轨迹参数消息；

步骤4：跟随无人机根据接收的轨迹参数计算本机飞行轨迹；并依据该飞行轨迹行驶，同时准备重新订阅下一段的轨迹信息。

2.根据权利要求1所述一种基于轨迹参数通信的无人机集群控制方法，其特征在于，

所述的通信消息格式包括轨迹类型域、领航机当前位置坐标域、辅助参数域和行驶方向域。

3.根据权利要求2所述一种基于轨迹参数通信的无人机集群控制方法，其特征在于，该通信消息格式是基于DDS通信方式。

4.根据权利要求1所述一种基于轨迹参数通信的无人机集群控制方法，其特征在于，步骤1具体是：

步骤1.1：根据领航无人机起点位置、当前轨迹段终点位置，以及任一途径点，确定轨迹类型；当轨迹起点、终点与途径点位于同一条直线上时，轨迹为直线型，否则为曲线型；

步骤1.2：根据轨迹类型确定辅助参数域内容；

如果轨迹类型为直线型，则辅助参数域为行驶距离；

如果轨迹类型为曲线型，计算曲线所在圆的圆心坐标；

步骤1.3：确定行驶方向；

若轨迹类型为直线型，则行驶方向为磁罗盘方向；

若轨迹类型为曲线型，则根据预计行驶轨迹长度，使用弧长公式计算行驶方向。

5.根据权利要求4所述一种基于轨迹参数通信的无人机集群控制方法，其特征在于，

若按照轨迹圆顺时针方向行驶，则行驶方向为正值，反之为负值。

6.根据权利要求1所述一种基于轨迹参数通信的无人机集群控制方法，其特征在于，

步骤4具体是：解析轨迹类型，若轨迹为直线型，则根据行驶方向和行驶距离即可确定本机的行驶轨迹；若轨迹为曲线型，则跟随无人机由得到的领航无人机的位置和本机位置，以及领航机所在轨迹圆的圆心位置，根据平行四边形法则，确定跟随机本机的轨迹圆圆心坐标。

7.根据权利要求6所述一种基于轨迹参数通信的无人机集群控制方法，其特征在于，

若行驶方向值为正，则按照顺时针方向沿圆形轨迹行驶相应弧度；否则，按照逆时针方向沿圆形轨迹行驶相应弧度。

8.一种基于轨迹参数通信的无人机集群控制系统，其特征在于，包括：

分段轨迹参数计算模块，用于领航无人机划分轨迹并计算当前分段轨迹参数；

轨迹参数消息发布模块，用于领航无人机将当前分段轨迹参数按照设定的通信消息格式封装，并向其通信范围内的跟随无人机发布轨迹参数消息；

轨迹参数消息转发模块：用于跟随无人机订阅来自领航无人机的轨迹参数消息，并向领航无人机通信范围之外的跟随无人机转发轨迹参数消息；

本机飞行轨迹计算模块：用于跟随无人机根据接收的轨迹参数计算本机飞行轨迹；并依据该飞行轨迹行驶，同时准备重新订阅下一段的轨迹信息。

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