一种基于三维动态避障的分布式飞行器编队实现方法技术

本发明专利技术涉及无人机导航与控制的技术领域，更具体地，涉及一种基于三维动态避障的分布式飞行器编队实现方法。该方法包括：用户通过上位机设定编队参数；飞行过程中飞行器获取相互的状态信息；飞行器采用相同的自主控制方法完成给定任务；飞行器完成任务后给上位机发送指示。由于本发明专利技术实施例采用基于三维动态避障的分布式编队方法，因此能够省去一般编队实现方法的规划步骤，直接自主进行控制与避障，更加具有实时性与鲁棒性，并且动态避障方法具有预测性与最优性，增强飞行器的避障能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无人机导航与控制的
，更具体地，涉及一种基于三维动态避障的分布式飞行器编队实现方法。
技术介绍
当前飞行器技术日催成熟，单体飞行器也具有各种各样的功能。但是目前市场上绝大多数是单机执行任务，无法完成复杂程度较高的任务，远没有发挥飞行器的潜能。飞行器群协同编队控制，能更好地发挥飞行器灵活机动的特点，完成更复杂、更加系统化和有组织的任务。飞行器群协同编队控制在军事、农业、消防、巡逻等领域有广阔的应用市场。在高空中，飞行器考虑的更多是动态障碍物的问题，因此能够避开动态障碍是本专利技术考虑的主要问题。对于常见的飞行器编队常采用上层是路径规划，下层是路径跟随的架构。必须在编队飞行前对整个编队过程进行规划路径，再将路径信息分别发送给飞行器，飞行器最后自主进行路径的跟随。这种架构有两大缺点，一方面是路径离线规划需要上位机作为主要的规划中心，对上位机要求比较高，而且一旦飞行器起飞之后，实时修改队形耗时长，对于飞行器的能源消耗是一大问题。另一方面是无人机在路径跟随的过程中必须同步，换句话说，需要规定某些规定时刻，每个无人机的位置必须明确指定，这样，要求很好的同步机制来实行整个过程，大大提高了整个系统复杂度。从上述原因考虑，采用基于动态避障的分布式无人机编队方式，只需要设定无人机的几个关键的路径点，飞行器无人机即可自主地到达目标位置，简化对上位机的依赖与上位机的复杂度。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于三维动态避障的分布式飞行器编队实现方法，减少飞行器在任务中对上位机的依赖，以增强飞行器编队的适应性。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于三维动态避障的分布式飞行器编队实现方法，所述方法包括：用户通过上位机设定编队参数；飞行过程中飞行器获取相互的状态信息；飞行器采用相同的自主控制方法完成给定任务；飞行器完成任务后给上位机发送指示。优选地，所述用户通过上位机设定编队参数的步骤包括：用户能够利用上位机对一个或多个编队形状进行设定；上位机根据每个队形中每个飞行器的位置作一个匹配；用户点击界面按钮，触发上位机程序以轮询方式将目标位置信息发送给各个飞行器；用户点击开始任务按钮，飞行器开始执行任务。优选地，所述飞行过程中飞行器获取相互的状态信息的步骤包括：飞行器通过GPS、惯性传感单元(IMU)与电子罗盘的信息融合获取自身的位置信息、速度信息与偏航信息；各个无人机按照编号顺序广播发送自身的位置信息与速度信息；当某个飞行器位置无法获取时，可以通过前一时刻的位置信息与速度信息，估算这一时刻的位置，速度假设不变。优选地，所述飞行器采用相同的自主控制方法完成给定任务的步骤包括：飞行器读取当前目标位置，并判断飞行器是否已经到达目标位置；飞行器根据自身位置与目标位置计算出偏好速度vpref；将偏好速度vpref、其他飞行器的位置与速度，利用动态避障算法(ORCA算法)计算出新的速度；利用姿态信息，将新的速度进行坐标转换，从大地坐标转换到机体坐标下；将转换后的速度输入到飞行控制器；再次获取飞行器自身位置信息，判断是否已经到达目标位置。优选地，所述当飞行器完成单个任务后，即发送完成指示，等待上位机发送下一步指令。与现有技术相比，有益效果是：本专利技术采用基于三维动态避障的分布式编队方法，因此能够省去一般编队实现方法的规划步骤，直接自主进行控制与避障，更加具有实时性与鲁棒性，并且动态避障方法具有预测性与最优性，增强飞行器的避障能力。附图说明图1为本专利技术实施例中的一种基于三维动态避障的分布式飞行器编队实现方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例中的上位机设定编队参数的流程示意图；图3为本专利技术实施例中的飞行器采用相同的自主控制方法完成指定任务的流程示意图；图4为本专利技术实施例中的单个飞行器a产生的速度障碍区域VOa的示意图；图5为本专利技术实施例中的最优相互避障速度可行域ORCAa区域的示意图；图6为本专利技术实施例中的是计算新速度vnew的示意图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。图1为本专利技术实施例中的一种基于三维动态避障的分布式飞行器编队实现方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：S1，用户通过上位机设定编队参数；S2，飞行过程中飞行器获取相互的状态信息；S3，飞行器采用相同的自主控制方法完成给定任务；S4，飞行器完成任务后给上位机发送指示。图2是上位机设定编队参数的流程图。进一步地，用户通过上位机设定编队参数的步骤包括：用户能够利用上位机对一个或多个编队形状进行设定；上位机根据每个队形中每个飞行器的位置作一个匹配；用户点击界面按钮，触发上位机程序以轮询方式将目标位置信息发送给各个飞行器；用户点击开始任务按钮，飞行器开始执行任务。具体实施中，用户能够通过上位机设定飞行器编队队形。上位机除了提供基本的圆形、矩形、三角形和直线外，还能够通过点击地图，设计任意的形状。当然，为了适应室外GPS低精度环境，每个飞行器之间的最小间距需要超过3米。队形的大小既可以提供滚动条设定，也可以直接通过在地图界面中拖拉设定。地图提供比例尺参数，设定队形在地图界面中显示的大小与实际大小的比例，与地图的比例尺一致。地图的比例尺可以通过地图的API获得。当各个编队形状设定后，从设定中获取编队中每个飞行器的目标位置，通过匹配算法(可使用Kuhn-Munkres(KM)算法)，以总的位移距离最短为原则，分配每个目标位置对应的飞行器，即可获得对应每个飞行器的目标位置数组。此时，各个目标位置数组存储在上位机中，便于更改。当用户点击上位机界面中的发送任务的按钮后，即马上将目标位置的数组通过无线模块，采用轮询的方式发送到各个飞行器当中。飞行器接收到目标位置数组后，即清除之前的目标位置数组。只有用户点击上位机的开始任务按钮后，飞行器接收到任务开始命令后，才取目标位置数组中的第一个位置数据作为自己的目标位置。此时即开始采用自主的控制算法完成任务。在飞行器飞行的过程中，不断通过GPS、惯性传感单元(IMU)与电子罗盘的信息融合获取自身的位置信息、速度信息与姿态信息。信息的获取周期必须小于或者等于控制周期或通信周期ΔT，实例中设置两个周期一致。获取自身信息后，飞行器通过周期性的发送自身的位置与速度信息，以达到信息共享的目的。为了避免无线模块发送的信息冲突，在第一次开始时，先采用轮询方式进行通信同步。例如：现在设定通信周期为50毫秒，飞行器与飞行器之间的通信间隔为5毫秒。第一次通信时k号飞行器进行信息发送，与此同时，k号飞行器以此时刻为起点，每隔50毫秒发送一次数据；k+1号飞行器收到k号飞行器的信息的5毫秒后，自己进行信息发送。发送消息时，k+1号飞行器以此时刻为起点，每隔50毫秒发送一次数据；k+2号飞行器收到k+1号飞行器的信息的5毫秒以后，进行k+2号飞行器的信息发送。发送消息时，k+2号飞行器以此为起点，每隔50毫秒发送一次数据……在整个通信过程中，飞行器会不断地同步通信的时间。即当飞行器收到其他飞本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三维动态避障的分布式飞行器编队实现方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.用户通过上位机设定编队参数；S2.飞行过程中飞行器获取相互的状态信息；S3.飞行器采用相同的自主控制方法完成给定任务；S4.飞行器完成任务后给上位机发送指示。

【技术特征摘要】
1.一种基于三维动态避障的分布式飞行器编队实现方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.用户通过上位机设定编队参数；S2.飞行过程中飞行器获取相互的状态信息；S3.飞行器采用相同的自主控制方法完成给定任务；S4.飞行器完成任务后给上位机发送指示。2.根据权利要求1所述的一种基于三维动态避障的分布式飞行器编队实现方法，其特征在于：所述的步骤S1中，包括以下步骤：101.用户能够利用上位机对一个或多个编队形状进行设定；102.上位机根据每个队形中每个飞行器的位置作一个匹配；103.用户点击界面按钮，触发上位机程序以轮询方式将目标位置信息发送给各个飞行器；104.用户点击开始任务按钮，飞行器开始执行任务。3.根据权利要求1所述的一种基于三维动态避障的分布式飞行器编队实现方法，其特征在于：所述的步骤S2中，包括以下步骤：201.飞行器通过GPS、惯性传感单元与电子罗盘的信息融合获取自身的位置信息、速度信息与姿态信息；202....

【专利技术属性】
技术研发人员：成慧，江泽宇，林立山，刘中常，郑泽丰，张晓武，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44