CN117369491A - 仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法，该方法包括如下步骤：集群中的每一个无人机独立获取目标的运动状态信息；集群中无人机获取统一的期望攻击时间；集群中各无人机确定获取的期望攻击时间是否合理，若任一个无人机的期望攻击时间不合理，则重新获取新的期望攻击时间，直至所有无人机确定其获取的期望攻击时间合理；基于期望攻击时间，集群中各无人机获得各自的控制指令，控制自身的飞行状态，实现在期望时刻击中目标。本发明公开的仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法，能够使集群中的无人机在满足自身实际飞行速度限制的前提下，对目标进行快速、稳定跟踪和打击。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法，属于制导技术领域。
背景技术
无人机通过数量优势即饱和攻击来实现对目标围捕，由于此种方式借鉴了狼群的围捕行为，又称之为仿狼群围捕的无人机集群协同控制。
饱和攻击的关键是对攻击时间进行约束，而传统制导律仅能满足打中目标的位置约束，无法对攻击时间进行约束。目前，对时间进行约束的控制方法包括两种：闭环时间协同控制方法和开环时间协同控制方法。
闭环时间协同制导控制方法是一种基于无人机群之间的通信网络而设计的。各无人机之间通过信息传递，将自身相对于目标的相对距离、自身的速度等信息传递给邻机，机间通过改变速度大小或方向完成同时打击的效果，但这种方法完全依赖机间通信自组网，在特殊环境中，一旦通信网络受到干扰或者链路出现断口，整个无人机群就会崩溃。所以这种方法容错率低，对通信强依赖，在工程中实现难度较大。
开环时间协同控制方法是一种不依赖机间通信，每一架无人机独立完成任务，但又能保证同时击中目标的任务需求。开环时间协同控制方法需要在任务前给各无人机装订相同的期望攻击时间，也可装订不同的期望攻击时间以完成不同批次的轮流打击。传统的开环时间协同控制方法是针对速度大小不可变的导弹提出的，随着无人机、巡飞弹等速度可变的飞行器的出现，采用传统的开环时间协同控制，既无法发挥可变速的特性，又会造成能量浪费。
因此，有必要对仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法进行深入研究，以解决上述问题。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了深入研究，提供了一种仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法，该方法包括如下步骤：
S1、集群中的每一个无人机独立获取目标的运动状态信息；
S2、集群中无人机获取统一的期望攻击时间；
S3、集群中各无人机确定获取的期望攻击时间是否合理，若任一个无人机的期望攻击时间不合理，则重新获取新的期望攻击时间，直至所有无人机确定其获取的期望攻击时间合理；
S4、基于期望攻击时间，集群中各无人机获得各自的控制指令，控制自身的飞行状态，实现在期望时刻击中目标。
在一个优选的实施方式中，S1中，通过无人机上携带的光电吊舱实时获得目标的运动状态信息。
在一个优选的实施方式中，在步骤S1中，所述目标的运动状态信息包括：
目标相对于任务无人机俯仰方向的视线角、目标相对于任务无人机偏航方向的视线角和目标相对于任务无人机的距离。
在一个优选的实施方式中，根据目标运动信息、无人机自身速度上限、目标与无人机相对距离确定期望攻击时间的选取是否合理。
在一个优选的实施方式中，S3中，所述合理是指获取的期望攻击时间满足以下条件：
其中，Vc,0表示目标相对于该无人机的初始速度，ts表示切向控制指令切换时间，td为获取的期望攻击时间，Vc,max表示该无人机的自身速度约束的最大值，即速度上限，k为控制收敛系数，
所述切向控制指令切换时间ts通过下式获得：
其中，x(0)表示该无人机的初始状态量，r0为该无人机与目标在初始时刻的相对距离。
在一个优选的实施方式中，S4中，所述控制指令包括法向加速度指令和径向加速度指令，所述径向加速度指令基于期望攻击时间设置。
在一个优选的实施方式中，在法向加速度指令中设置角度约束。
在一个优选的实施方式中，所述法向加速度指令包括视线系下Y轴加速度指令和视线系下Z轴的加速度指令/>表示为：
其中，Vc表示目标相对于该无人机的速度在视线方向的投影；ΩLos表示目标相对于该无人机的视线旋转角速率；qy为视线俯仰角，qd为期望视线俯仰角，atn表示目标在视线系中的法向加速度。
在一个优选的实施方式中，所述径向加速度指令acx表示为：
其中，atx表示目标在视线系中沿视线方向的加速度分量，k表示控制收敛系数；td表示期望攻击时间，t表示该无人机的飞行时间，ts表示切向控制指令切换时间。
在一个优选的实施方式中，所述控制指令a表示为：
其中，表示视线系到惯性系的坐标旋转矩阵，表示为
本发明所具有的有益效果包括：
(1)能够基于目标运动进行估计，并且据此进行自主导航，在最短时间内对目标进行快速、稳定跟踪和打击；
(2)依托于无人机的速度可变性，在其切向通道设计了一种考虑自身速度约束的攻击时间约束控制方法；
(3)实现全程自主作业，在满足自身实际飞行速度限制的前提下，对任意运动的目标实现全方位多角度的围捕攻击。
附图说明
图1示出根据本发明一种优选实施方式的仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法流程示意图；
图2示出了实施例1中不同无人机和目标的运动轨迹；
图3示出了实施例1中不同无人机与目标之间的相对距离随时间变化；
图4示出了实施例1中不同无人机的速度变化曲线；
图5示出了实施例1中不同无人机的视线角变化曲线和末端视线角数值。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明提供的一种仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法，如图1所示，该方法包括如下步骤：
S1、集群中的每一个无人机独立获取目标的运动状态信息；
S2、集群中无人机获取统一的期望攻击时间；
S3、集群中各无人机确定获取的期望攻击时间是否合理，若任一个无人机的期望攻击时间不合理，则重新获取新的期望攻击时间，直至所有无人机确定其获取的期望攻击时间合理；
S4、基于期望攻击时间，集群中各无人机获得各自的控制指令，控制自身的飞行状态，实现在期望时刻击中目标。
根据本发明，无人机集群中的无人机具有不同初始位置。
优选地，无人机集群中的无人机具有不同的最大速度约束，即无人机集群中的无人机型号不同，以实现更好的协同配合。
优选地，所述无人机为旋翼无人机，具体为具有四个螺旋桨以上旋翼的无人机，将实时获得的加速度指令输入给无人机的旋翼控制系统中，旋翼控制系统能够根据输入的加速度指令，调节旋翼螺旋桨转速，转速变化引起旋翼升力变化，进而控制任务无人机的姿态和位置。
需要说明的是，本发明中目标的速度、位置、加速度信息都是指在惯性系下的速度、位置信息，所述惯性系是指以任务无人机质心为原点，地理东向为x轴，地理北向为y轴，z轴垂直x、y轴，向上为正，构成右手定则。所述视线系是指以任务无人机质心为原点，任务无人机与目标的连线方向为XL轴，ZL轴在铅垂面内垂直于XL轴，指向上为正，YL轴通过右手定则确定。
在一个优选的实施方式中，S1中，通过无人机上携带的光电吊舱实时获得目标的运动状态信息。
所述光电吊舱可以选用本领域中已有的光电吊舱，能够执行目标跟踪，输出目标相对于多旋翼机的视线角和视线角速率即可。
在本发明中，对获取目标运动状态信息的具体方式不做限定，本领域技术人员可根据经验选用任意一种已知方式，例如可通过现有卡尔曼滤波算法获得。
通过机载光电吊舱的机器视觉技术对空间目标进行探测和跟踪，与雷达和车载光电等探测设备相比，精度高、直观性强、成本低、不受杂波干扰的影响。
在一个优选的实施方式中，在步骤S1中，所述目标的运动状态信息包括：
目标相对于任务无人机俯仰方向的视线角qy、目标相对于任务无人机偏航方向的视线角qz和目标相对于任务无人机的距离R。
在一个优选的实施方式中，在S1之前，通过任务无人机上携带的光电吊舱拍摄目标，获得包含目标的连续图像；通过对连续图像中目标的状态估计，解算光电吊舱转动的角速率控制指令，进而控制光电吊舱连续观测目标。
具体地解算方法在本发明中不做限定，可以通过任意一种机载机器视觉算法处理所述连续图像，给出目标的状态估计，作为多旋翼机上的光电吊舱的控制信息源。
S2中，所述期望攻击时间可以是预先设置，装订在各无人机中，例如将多个期望攻击时间以数列的形式存储于无人机机载计算机中，也可以临时设置，再通过无线通讯传递至各无人机中。
根据本发明一个优选的实施方式，根据目标运动信息、无人机自身速度上限、目标与无人机相对距离确定期望攻击时间的选取是否合理。
在一个优选的实施方式中，S3中，所述合理是指获取的期望攻击时间满足以下条件：
其中，Vc,0表示目标相对于该无人机的初始速度，ts表示切向控制指令切换时间，td为获取的期望攻击时间，Vc,max表示该无人机的自身速度约束的最大值，即速度上限，k为控制收敛系数，为常数，优选设置为1。
在本发明中，通过引入切向控制指令切换时间，使得各无人机的制导过程考虑自身速度约束以及攻击时间约束，更好的发挥无人机的速度可变性。
在一个优选的实施方式中，所述切向控制指令切换时间ts通过下式获得：
其中，x(0)表示该无人机的初始状态量，r0为该无人机与目标在初始时刻的相对距离。
在一个优选的实施方式中，S4中，所述控制指令包括法向加速度指令和径向加速度指令，所述径向加速度指令基于期望攻击时间设置。
在一个优选的实施方式中，在法向加速度指令中设置角度约束以实现能量最省。
在一个优选的实施方式中，所述法向加速度指令包括视线系下Y轴加速度指令和视线系下Z轴的加速度指令/>表示为：
其中，Vc表示目标相对于该无人机的速度在视线方向的投影；ΩLos表示目标相对于该无人机的视线旋转角速率；qy为视线俯仰角，qd为期望视线俯仰角，atn表示目标在视线系中的法向加速度。
根据本发明一个优选的实施方式，集群中各无人机设置不同的期望视线俯仰角，使得集群中无人机能够从不同角度、不同路径飞向目标。
在一个优选的实施方式中，所述径向加速度指令acx表示为：
其中，atx表示目标在视线系中沿视线方向的加速度分量，k表示控制收敛系数；td表示期望攻击时间，t表示该无人机的飞行时间，ts表示切向控制指令切换时间。
在一个优选的实施方式中，所述控制指令a表示为：
其中，表示视线系到惯性系的坐标旋转矩阵，表示为
根本发明，当无人机与目标之间的距离在期望打击时刻小于预设值即最小脱靶量时，即说明围捕成功。
进一步地，根据本发明，无人机在末时刻的角度与期望攻击角度相等，即满足在期望时刻以期望角度打击的任务需求。
实施例
实施例1
进行仿真实验，采用两个无人机对目标进行协同控制围捕，无人机的初始位置和初值速度如表一所示。
表一
无人机的速度上限均设置为20m/s。
目标的初始位置为(xt0,yt0,zt0)＝(200,300,10)m，初始速度为(Vxt0,Vyt0)＝(3,0,1)m/s，在空中做三维机动运动，惯性系下的加速度设置为：
协同控制方法包括如下步骤：
S1、集群中的每一个无人机独立获取目标的运动状态信息；
S2、集群中无人机获取统一的期望攻击时间；
S3、集群中各无人机确定获取的期望攻击时间是否合理，若任一个无人机的期望攻击时间不合理，则重新获取新的期望攻击时间，直至所有无人机确定其获取的期望攻击时间合理；
S4、基于期望攻击时间，集群中各无人机获得各自的控制指令，控制自身的飞行状态，实现在期望时刻击中目标。
S2中，期望攻击时间td设置为20s。
S3中，根据下式确定S2中获得的期望攻击时间是否合理：
其中，k设置为1，通过上式可以确定期望攻击时间满足。
S4中，控制指令表示为：
图2-5示出了仿真过程及仿真结果，其中，图2示出了不同无人机和目标的运动轨迹，图3示出了不同无人机与目标之间的相对距离随时间变化，图4示出了不同无人机的速度变化曲线，图5示出了不同无人机的视线角变化曲线和末端视线角数值。
从图2、3中可以看出，对初始位置、速度不同的两个无人飞行器均可使它们在相同的时刻与目标的相对距离趋于零，即在期望攻击时间击中机动目标。
从图4可以看出，该方法能够预判速度极值并判断期望接近时间的选取是否合理；满足自身的速度限制，同时又能满足同时打击的任务目标。
从图5可以看出，该方法能够通过在满足时间约束、速度约束的基础上，还满足末端角度约束，实现对目标全方位多角度的围捕。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、集群中的每一个无人机独立获取目标的运动状态信息；
S2、集群中无人机获取统一的期望攻击时间；
S3、集群中各无人机确定获取的期望攻击时间是否合理，若任一个无人机的期望攻击时间不合理，则重新获取新的期望攻击时间，直至所有无人机确定其获取的期望攻击时间合理；
S4、基于期望攻击时间，集群中各无人机获得各自的控制指令，控制自身的飞行状态，实现在期望时刻击中目标。
2.根据权利要求1所述的仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法，其特征在于，
S1中，通过无人机上携带的光电吊舱实时获得目标的运动状态信息。
3.根据权利要求1所述的仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法，其特征在于，
在步骤S1中，所述目标的运动状态信息包括：
目标相对于任务无人机俯仰方向的视线角、目标相对于任务无人机偏航方向的视线角和目标相对于任务无人机的距离。
4.根据权利要求1所述的仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法，其特征在于，
根据目标运动信息、无人机自身速度上限、目标与无人机相对距离确定期望攻击时间的选取是否合理。
5.根据权利要求1所述的仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法，其特征在于，
S3中，所述合理是指获取的期望攻击时间满足以下条件：
其中，Vc,0表示目标相对于该无人机的初始速度，ts表示切向控制指令切换时间，td为获取的期望攻击时间，Vc,max表示该无人机的自身速度约束的最大值，即速度上限，k为控制收敛系数，
所述切向控制指令切换时间ts通过下式获得：
其中，x(0)表示该无人机的初始状态量，r0为该无人机与目标在初始时刻的相对距离。
6.根据权利要求1所述的仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法，其特征在于，
S4中，所述控制指令包括法向加速度指令和径向加速度指令，所述径向加速度指令基于期望攻击时间设置。
7.根据权利要求6所述的仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法，其特征在于，
在法向加速度指令中设置角度约束。
8.根据权利要求6所述的仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法，其特征在于，
所述法向加速度指令包括视线系下Y轴加速度指令和视线系下Z轴的加速度指令表示为：
其中，Vc表示目标相对于该无人机的速度在视线方向的投影；ΩLos表示目标相对于该无人机的视线旋转角速率；qy为视线俯仰角，qd为期望视线俯仰角，atn表示目标在视线系中的法向加速度。
9.根据权利要求6所述的仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法，其特征在于，
所述径向加速度指令acx表示为：
其中，atx表示目标在视线系中沿视线方向的加速度分量，k表示控制收敛系数；td表示期望攻击时间，t表示该无人机的飞行时间，ts表示切向控制指令切换时间。
10.根据权利要求9所述的仿狼群围捕的无人机集群协同控制方法，其特征在于，
所述控制指令a表示为：
其中，表示视线系到惯性系的坐标旋转矩阵，表示为
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