一种多无人机分布式编队控制方法技术

本发明专利技术涉及一种多无人机分布式编队控制方法，包括如下步骤：在预设区域内部署n架无人机，n为n≥3的整数；所述的无人机能够主动获取邻居无人机在自身惯性坐标系下的相对位置信息；无人机通过分布式控制算法计算无人机的期望速度，进行速度控制从而使无人机保持给定的距离，系统达到稳定时形成三角形链状编队。该编队控制方法具有较好的收敛性，保证系统是稳定的，可以避免通信网络受到攻击，增加系统抗干扰能力，相比于现有的编队控制算法，本发明专利技术需要更少的计算资源并且所需控制量更容易获取。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无人机编队控制领域，具体涉及。
技术介绍
在目标搜救，农业值保，安防监测等众多应用中，单个无人机在效率和续航时间上 难以满足大范围作业的需求，通过多个无人机进行编队作业至关重要。通过有效的无人机 的编队控制策略，可以有效解决无人机大面积作业应用场景中的诸多问题。 针对单架无人机的缺点，近些年提出了编队飞行控制的概念并取得了一定得研究 成果主要包括:队形设计，气动耦合、队形动态调整、航迹协调规划、移动自组织网络以及编 队飞行控制方法等。编队控制方法通常包括基于行为方式的编队控制、"长机-僚机"方式的 编队控制和虚拟结构方式编队控制。 中国专利技术专利(CN 102591358A)公开一种多无人机的动态编队控制方法，属于飞 行控制
，包括步骤一：队形保持方法;步骤二:避障方法;步骤三:基于行为的编队 过程，其中基于行为的编队过程分别为行为分解与控制实现。该专利引入了基于行为的编 队控制方法，降低了对编队无线数据链更新率的要求，增强了无人机群编队的避障能力；同 时引入了虚拟结构作为参考。 目前无人机编队控制的方法大多以获取无人机全局坐标的方式进行编队控制。考 虑到在GPS无法使用的地区，无法获得每个无人机在全局坐标系下的位置信息，这样的控制 方法便会失效。在无人机编队控制研究中，无论是集中式还是分布式控制方法都依赖于无 人机之间的数据通信。集中式的控制方法往往需要建立覆盖所有节点的星形通信网络;而 采用分布式控制方法中同样需要建立网状的通信链路来实现节点之间数据交互。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种多无人机分布式编队控制方 法，通过让每个无人机主动测量邻居无人机相对于自身惯性坐标系下的相对位置，从而控 制自身的运动来达到编队。 本专利技术为解决技术问题采取如下技术方案： -种多无人机分布式编队控制方法，包括如下步骤： 1)在预设区域内部署η架无人机，η为η 2 3的整数;所述的无人机能够主动获取邻 居无人机在自身惯性坐标系下的相对位置信息； 2)第1架无人机和第2架无人机分别主动获取对方在自身惯性坐标系下的相对位 置信息，通过分布式控制算法计算第1架无人机和第2架无人机的期望速度，进行速度控制 从而使第1架无人机和第2架无人机保持给定的距离； 3)按编号对第3~η架无人机进行编队控制，第i架无人机主动获取第i-Ι架无人机 和第i_2架无人机在自身惯性坐标系下的相对位置信息，通过分布式控制算法计算第i架无 人机的期望速度，进行速度控制从而使第i架无人机对第i-Ι架无人机和第i_2架无人机之 间保持给定的距离，系统达到稳定时形成三角形链状编队。 上述技术方案不依赖于全局参考坐标系，利用测量在无人机自身惯性坐标系下与 邻居一个或多个无人机的相对位置，从而实现无人机编队控制的方法。通过让每个无人机 主动测量邻居无人机相对于自身惯性坐标系下的相对位置，从而控制自身的运动来达到编 队。这种方法不需要多个无人机之间建立可靠的通信链路，减少了编队控制方法对于通信 链路质量的依赖和被通信网络被攻击的可能性，并且仅仅依靠相对位置信息来进行分布式 编队控制，从实际考虑更易于实现。 作为优选，所述的无人机内置激光扫描仪，激光扫描仪能够获取邻居无人机在自 身惯性坐标系下的相对位置信息，所述的相对位置信息为相对距离和相对角度。 作为进一步优选，所述的无人机按照控制周期0.05~0.15s，将所述的相对距离和 相对角度通过极坐标转换成向量。 作为优选，所述的预设区域为水平面。 作为进一步优选，所述的无人机在水平面内满足如下运动模型： =ui ,i = l,2,···,]!； 其中η为η 2 3的整数，Xl为无人机在水平面内的位置向量，x/为无人机在水平面内 的位置向量的导数，Ul为无人机在水平面内运动的速度向量。 作为优选，所述的步骤2)中计算第1架无人机和第2架无人机的期望速度的方法： 其中，X1表示第1架无人机在其自身惯性平面坐标系下的位置向量，通常为坐标原 点；X2表示第2架无人机在其自身惯性平面坐标系下的位置向量；| |X2-X1| |为第2架无人机 与第1架无人机之间的欧几里得距离；I |X1-X2| I为第1架无人机与第2架无人机之间的欧几 里得距离;d12为第1架无人机和第2架无人机之间的距离，通常是以常量的形式给定;vo为队 形稳定时，无人机的期望运动速度向量;m表示第1架无人机相对于自身惯性坐标系的期望 速度向量控制量，u 2表示第2架无人机相对于自身惯性坐标系的期望速度向量控制量。 作为优选，所述的步骤3)中计算第i架无人机的期望速度的方法：其中，xh为第i-Ι架无人机在第i架无人机自身惯性平面坐标系内的位置向量测 量值，Xl-2为第i_2架无人机在第i架无人机自身惯性平面坐标系内的位置向量测量值，^为 第i架无人机在自身惯性平面坐标系内的位置向量；I |Xl-2-Xl| I为第i_2架无人机与第i架 无人机之间的欧几里得距离；I Ix^-xd I为第i-Ι架无人机与第i架无人机之间的欧几里得 距离;d(1-m为第i架无人机期望与第i-i架无人机之间保持的距离，d (1-2)1为第i架无人机期 望与第i-2架无人机之间保持的距离，通常以常量形式给定；Θ,为算法设计所需的中间量， Θ/为算法设计所需的中间量的导数，其物理含义是：当系统达到稳定时，0,趋近于无人机期 望速度向量V〇;m为第i架无人机相对于自身惯性坐标系的期望速度向量控制量。 作为优选，所述的步骤3)中第i架无人机对第i-Ι架无人机和第i-2架无人机之间 保持给定的距离分别为d(1-m和d (1-2)1，第i-Ι架无人机和第i-2架无人机之间的距离为 所述的给定的距离需要满足以下条件： d(i-i)(i-2)<d(i-2)i+d(i-i)i； d(i-2)i<d(i-i)(i-2)+d(i-i)i; d(i-i)i<d(i-i)(i-2)+d(i-2)i。 作为优选，所述的无人机的期望速度进行饱和限制，最大速度不能超过无人机自 身的最大速度。 同现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在： (1)分布式控制算法计算公式为线性系统，相对于现有的编队控制算法，具有较好 的收敛性，保证系统是稳定的； (2)对于每个无人机而言，仅仅只需要用到邻居无人机的相对位置信息作为控制 量就能实现编队控制，从实现的角度考虑，相比于现有的编队控制算法，本专利技术需要更少的 计算资源并且所需控制量更容易获取； (3)采用主动测量的方式获取控制所需的相对位置信息，不需要组建多无人机之 间数据信息交互所需要的通信网络，可以避免通信网络受到攻击，增加系统抗干扰能力。【附图说明】 图1为实施例中采用激光扫描仪获取邻居无人机相对位置信息并通过极坐标转换 向量示意图； 图2为实施例中第1架无人机和第2架无人机形成编队的运动轨迹示意图； 图3为实施例中多个无人机达到稳定时编队位置关系的示意图； 图4为实施例中所有无人机形成编队的初始状态的位置关系示意图； 图5为实施例中所有无人机形成编队的稳定状态位置关系示意图。【具体实施方式】 在水平高度为5米的水平面内，部署20架四旋翼无人机(基于开源飞控pixhawk的 自制四旋翼本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多无人机分布式编队控制方法，其特征在于，包括如下步骤：1)在预设区域内部署n架无人机，n为n≥3的整数；所述的无人机能够主动获取邻居无人机在自身惯性坐标系下的相对位置信息；2)第1架无人机和第2架无人机分别主动获取对方在自身惯性坐标系下的相对位置信息，通过分布式控制算法计算第1架无人机和第2架无人机的期望速度，进行速度控制从而使第1架无人机和第2架无人机保持给定的距离；3)按编号对第3～n架无人机进行编队控制，第i架无人机主动获取第i‑1架无人机和第i‑2架无人机在自身惯性坐标系下的相对位置信息，通过分布式控制算法计算第i架无人机的期望速度，进行速度控制从而使第i架无人机对第i‑1架无人机和第i‑2架无人机之间保持给定的距离，系统达到稳定时形成三角形链状编队。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林志赟，程鹏，沈洪梁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33