一种基于改进虚拟力场引导的无人机编队飞行控制方法技术

本发明专利技术公布了一种基于改进虚拟力场引导的无人机编队飞行控制方法，属于编队无人机自动控制技术领域。本发明专利技术所公布的无人机编队飞行方法步骤包括：(1)构造一个虚拟力场，根据无人机之间的相对距离构造虚拟力场函数。分别构造出领航无人机所受目标位置的虚拟引力函数以及跟随无人机之间在虚拟力场所受到的平均斥力与平均引力函数。通过虚拟引力与虚拟斥力的作用，无人机在飞行过程中始终在设定距离上下震荡，直到收敛为设定的机间距离。(2)通过建立的编队无人机数学模型及构造好的改进虚拟力场算法，设计领航无人机位置控制器与跟随无人机位置与姿态控制器。设计了调节参数，以调节收敛速度，用于不同情况与不同要求下的无人机群组编队飞行。机群组编队飞行。机群组编队飞行。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进虚拟力场引导的无人机编队飞行控制方法


[0001]本专利技术涉及无人机的编队飞行
，具体为一种基于改进虚拟力场引导的无人机编队飞行控制方法。

技术介绍

[0002]无人机编队飞行是指多架不同种类或同种类的无人机按照任务的要求，进行队形排列的组织飞行模式，既包括了飞行编队队形的保持与变换，也包括了队形破坏后的重构，涵盖了飞行任务的规划与执行。无人机编队飞行作业拥有广阔的发展空间和应用前景，是无人机技术发展的又一重要领域，相比于单架无人机执行某些复杂任务而言，多架无人机的优势在于可同时作业，使任务能够准确且快速地完成。目前，在进行无人机编队飞行控制过程中，通常根据预先确定的统一飞行速度控制所有无人机飞行。然而，每个无人机在飞行时的飞行情况并不相同，包括无人机的起始飞行状况不同、飞行路线不同以及无人机硬件条件不同等。若采用统一飞行速度控制无人机编队飞行，会造成整个无人机编队飞行的同步性不强，甚至有些无人机无法准确地飞到目标航点，导致无人机编队飞行的整体精度低、同步性差等问题，严重的则会发生碰撞。
[0003]针对无人机编队的控制问题，传统的解决方法有领航
‑
跟随法、虚拟结构法、人工势场法等。领航
‑
跟随法原理简单、易于实现，但是误差会逐级放大，且很容易受到干扰的影响。虚拟结构法可以抑制领航
‑
跟随方式中的干扰问题，但需要以高计算能力为代价。而人工势场法的缺点在于无法保持稳定的飞行队形。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于改进虚拟力场引导的无人机编队飞行控制方法，通过结合无人机在惯性坐标系和机体坐标系下的坐标转换矩阵和无人机数学模型，同时通过构造的虚拟力场函数和建立的通信拓扑，再通过设置领航无人机与目标点设有的位置控制器以及无人机机间设有的位置控制器和姿态控制器，以解决上述提出的现有问题。
[0005]实现本专利技术目的的技术方案是：本专利技术一种基于改进虚拟立场引导的的无人机编队飞行控制方法，包括以下操作步骤：
[0006]S1：设置n架无人机进行领航
‑
跟随的无人机编队飞行，n架无人机包括1架领航无人机和n
‑
1架跟随无人机，在编队飞行过程中，仅领航无人机可获知目标位置信息，跟随无人机均参考领航无人机的轨迹编队飞行；
[0007]S2：在n架无人机编队飞行的过程中防止碰撞，包括：
[0008]步骤21：建立n架无人机之间的通信拓扑，用于实现无人机之间的信息交互；
[0009]步骤22：构建一个以无人机i(i＝1,2,...,n)为力场中心，r0为半径的无人机引力场，并在引力场上叠加一个以无人机j为力场中心，r
t
为半径的无人机斥力场；
[0010]步骤23：根据无人机i与无人机j之间的距离r
ij
判断无人机i的飞行动态，包括：当距离r
ij
满足r
ij
≤2r0时，无人机i受无人机j的斥力场作用而产生加速度a
ij
，使得无人机i远
离无人机j；当距离r
ij
满足r
ij
＝2r0时，无人机i不受虚拟力作用；当距离r
ij
满足2r0≤r
ij
≤r
t
时，无人机i受无人机j的引力场作用而产生加速度a
ij
，使得无人机i接近无人机j；
[0011]步骤24：根据步骤22和步骤23构造领航无人机的虚拟引力场函数；
[0012]步骤25：根据步骤21、步骤22和步骤23构造编队无人机的虚拟力场函数；
[0013]步骤26：根据领航无人机与跟随无人机的虚拟力场函数确定其各自所受的合场力。
[0014]S3：保持无人机编队飞行，包括:
[0015]步骤31：建立惯性坐标系E
xyz
与机体坐标系B
xyz
，得出无人机i从惯性坐标系转换为机体坐标系的转换矩阵；
[0016]步骤32：根据步骤31构建无人机i的动力学模型；
[0017]步骤33：根据步骤32与步骤24设置领航无人机的位置控制器；
[0018]步骤34：根据步骤32与步骤25设置跟随无人机的位置控制器与姿态控制器。
[0019]通信拓扑关系包括单向数据传输链路和双向数据传输链路，其中，单向数据传输链路用于领航无人机与跟随无人机的通信，双向数据传输链路用于跟随无人机之间的通信。
[0020]通信拓扑关系使无人机编队的状态满足以下收敛条件：对无人机i与无人机j任意的初始状态q
i
(0)和q
j
(0)，当t
→
∞时，有|q
i
(t)
‑
q
j
(t)|
→
0和|v
i
(t)
‑
v
j
(t)|
→
0，其中，通信拓扑表示为：其中v＝{v1,v2,...,v
n
}，表示n架无人机所在节点速度的集合；表示速度节点对的集合；设G0＝[g
ij
],表示无人机群中各个无人机之间的通信关系，其中g
ij
表示无人机i与j的通信权重，若节点对(v
i
,v
j
)存在信息交互，即无人机i可以感知到j，则g
ij
＝1，否则g
ij
＝0。
[0021]步骤23中构造的领航无人机虚拟引力场函数为：
[0022]F(q
p
)＝
‑
K
a
×
(Q
p
‑
Q
g
)
[0023]其中，K
a
为引力势场常量，Q
p
＝[q
px
,q
py
,q
pz
]T
为领航无人机位置，Q
g
＝[q
gx
,q
gy
,q
gz
]T
为目标位置的坐标。
[0024]步骤24中构造的编队无人机虚拟引力场函数与斥力场函数分别为：
[0025][0026]步骤26中领航无人机与跟随无人机受的合场力分别为：
[0027]F
rL
＝F(q
p
)+F
i
(q
i
)
[0028][0029]步骤31中的转换矩阵为：
[0030][0031]其中，θ、和φ分别为俯仰角、偏航角和滚转角。
[0032]步骤32中构建的无人机i的动力学模型为：
[0033][0034]其中，X
i
＝[x
i
,y
i
,z<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进虚拟力场引导的无人机编队飞行控制方法，其特征为：包括以下操作步骤：S1：设置n架无人机进行领航
‑
跟随的无人机编队飞行，所述n架无人机包括1架领航无人机和n
‑
1架跟随无人机，在编队飞行过程中，仅所述领航无人机可获知目标位置信息，所述跟随无人机均参考所述领航无人机的轨迹编队飞行；S2：在所述n架无人机编队飞行的过程中防止碰撞，包括：步骤21：建立所述n架无人机之间的通信拓扑，用于实现无人机之间的信息交互；步骤22：构建一个以无人机i(i＝1,2,...,n)为力场中心，r0为半径的无人机引力场，并在所述引力场上叠加一个以无人机j为力场中心，r
t
为半径的无人机斥力场；步骤23：根据所述无人机i与所述无人机j之间的距离r
ij
判断所述无人机i的飞行动态，包括：当所述距离r
ij
满足r
ij
≤2r0时，所述无人机i受所述无人机j的斥力场作用而产生加速度a
ij
，使得所述无人机i远离所述无人机j；当所述距离r
ij
满足r
ij
＝2r0时，所述无人机i不受虚拟力作用；当所述距离r
ij
满足2r0≤r
ij
≤r
t
时，所述无人机i受所述无人机j的引力场作用而产生加速度a
ij
，使得无人机i接近所述无人机j；步骤24：根据步骤22和步骤23构造所述领航无人机的虚拟引力场函数；步骤25：根据步骤21、步骤22和步骤23构造所述编队无人机的虚拟力场函数；步骤26：根据所述领航无人机与所述跟随无人机的虚拟力场函数确定其各自所受的合场力。S3：保持所述无人机编队飞行，包括:步骤31：建立惯性坐标系E
xyz
与机体坐标系B
xyz
，得出所述无人机i从惯性坐标系转换为机体坐标系的转换矩阵；步骤32：根据步骤31构建所述无人机i的动力学模型；步骤33：根据步骤32与步骤24设置所述领航无人机的位置控制器；步骤34：根据步骤32与步骤25设置所述跟随无人机的位置控制器与姿态控制器。2.根据权利要求1所述的基于改进虚拟力场引导的无人机编队飞行控制方法，其特征在于，所述通信拓扑关系包括单向数据传输链路和双向数据传输链路，其中，单向数据传输链路用于所述领航无人机与所述跟随无人机的通信，所述双向数据传输链路用于所述跟随无人机之间的通信。3.根据权利要求2所述的基于改进虚拟力场引导的无人机编队飞行控制方法，其特征在于，所述通信拓扑关系使所述无人机编队的状态满足以下收敛条件：对所述无人机i与所述无人机j任意的初始状态q
i
(0)和q
j
(0)，当t
→
∞时，有|q
i
(t)
‑
q
j
(t)|
→
0和|v
i
(t)
‑
v
j
(t)|
→
0，其中，所述通信拓扑表示为：其中v＝{v1,v2,...,v
n
}，表示n架无人机所在节点速度的集合；表示速度节点对的集合；设G0＝[g
ij
],表示无人机群中各个无人机之间的通信关系，其中g
ij
表示无人机i与j的通信权重，若节点对(v
i
,v
j
)存在信息交互，即无人机i可以感知到j，则g
ij
＝1，否则g
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨艺，吴凯，葛婉君，姚雪莲，吴明宇，陈灵峰，陈康，陈子强，倪闯，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：