一种基于距离定位的未知目标围剿方法技术

本发明专利技术公开了一种基于距离测量的无人机围剿方法，包括：首先，确定代理无人机和目标无人机的动力学模型；其次，在代理无人机的坐标系统一的前提下，代理无人机实时获取自身的位移参数以及代理无人机之间、代理无人机与目标无人机之间的距离参数，结合所述动力学模型，构建代理无人机与目标无人机位置的位置关系模型，并构建对目标无人机的位置估计器；最后，利用位置估计器结合代理无人机到目标无人机之间的相对估计位置，通过预设的自适应围剿控制器，结合预设的针对于目标无人机的围剿轨迹的半径以及轨迹控制频率、控制器增益，得到代理无人机的速度控制指令，代理无人机根据所述速度控制指令围剿目标无人机。速度控制指令围剿目标无人机。速度控制指令围剿目标无人机。

【技术实现步骤摘要】
一种基于距离定位的未知目标围剿方法


[0001]本专利技术涉及无人机领域，具体涉及一种基于距离定位的未知目标围剿方法。

技术介绍

[0002]无人机系统围剿控制在联合监控、联合打击、目标追踪、环境勘测等方面有着广泛的应用，引起了诸多学者的关注。在多无人机系统对目标的围剿算法中，不仅要实现无人机整体上的协同运动，还需要通过对目标的合围，实现对目标的保护或打击等任务。多无人机系统围剿控制问题的核心思想是通过对目标的探测和无人机个体间的信息交互，设计控制协议，使得多无人机系统接近目标并按照一定的包围结构对目标形成包围。在实际应用中，对目标的探测有诸多的限制，获取其全部位置信息并不容易，所以基于目标的不全信息的包围控制问题显得尤为重要。
[0003]首先，与静态目标相比，移动目标的围剿不是一个相对平衡的运动，这使得控制问题更加复杂。为了使得目标包围圈控制，进一步要求所有无人机一起在以目标为中心的圆上滑翔。为了实现移动目标的围剿任务，大部分相关工作都要求代理无人机能够获取或估计目标的位置或其他信息。而且代理无人机之间的信息获取方式可分为直接和间接两种。直接的是指信息在多无人机系统之间的传输是通过有线或无线网络。间接的是代理无人机通过相对距离测量或方位测量获得相邻无人机或目标的状态信息。
[0004]但是，在大多数实际情况下，无人机是无法直接获得目标的绝对位置信息。因此，人们提出了许多相对定位算法，如基于距离的或者基于方位的等。目标的位置不能仅依靠代理与目标之间的瞬时距离测量来估计。因此，现有的基于距离的定位算法除了在连续两个瞬间测量相对距离外，都要求通过直接将移动目标的位移传递给其他移动代理来获得相对位移。
[0005]然而，在实际应用中，目标的状态可能是完全未知的，目标和代理之间不存在直接通信。正如围剿的目标是敌对关系，不可能将其位置共享给围剿者。因此，如何仅根据距离估计目标的实时相对位置是目前的研究空洞。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于距离定位的未知目标围剿方法，用以解决仅根据距离估计目标的实时相对位置的问题。
[0007]为了实现上述任务，本专利技术采用以下技术方案：一种基于距离测量的无人机围剿方法，包括：首先，确定代理无人机和目标无人机的动力学模型；其次，在代理无人机的坐标系统一的前提下，代理无人机实时获取自身的位移参数以及代理无人机之间、代理无人机与目标无人机之间的距离参数，结合所述动力学模型，构建代理无人机与目标无人机位置的位置关系模型，并构建对目标无人机的位置估计器；最后，利用位置估计器结合代理无人机到目标无人机之间的相对估计位置，通过
预设的自适应围剿控制器，结合预设的针对于目标无人机的围剿轨迹的半径以及轨迹控制频率、控制器增益，得到代理无人机的速度控制指令，代理无人机根据所述速度控制指令围剿目标无人机；其中，所述自适应围剿控制器表示为：其中为控制器增益，满足，T 为采样周期；是预先设定的围剿轨迹，代理无人机 1 和代理无人机 2 在以目标无人机为中心的圆形围剿轨迹上对称运动；r是代理无人机 1 和代理无人机 2 轨迹的半径，k 表示时刻，R代表实数集，n 代表维度，是围剿的轨迹控制频率；、表 示代理无人机 1、代理无人机 2 到目标无人机的相对估计位置，和是代理无人机 1 和代理无人机 2 的速度控制指令。
[0008]进一步地，所述构建对目标无人机的位置估计器，包括：表示目标无人机在 k 时刻位置估计量，则变量表示：其中，表示代理无人机 1 到代理无人机 2 的相对位置，上标 T 表示转置操作；对目标无人机的位置便可通过估计量进行估计，位置估计器表示为：其中是估计增益，表示为：其中， 目标无人机在 k 时刻的协方差矩阵表示为：其中 表示指数遗忘因子和表示信息利用因子； 表示n维的单位矩阵，表示上一个时刻的协方差矩阵。
[0009]进一步地，所述预先设定的围剿轨迹满足。
[0010]进一步地，所述代理无人机和目标无人机的动力学模型表示为：其中，为代理无人机i 在k 时刻的位置, R 代表实数集， n 代表维度；为代理无人机i 速度控制指令，满足；和分别为
预设的代理无人机速度差的最小值和最大值， T 是采样周期。
[0011]进一步地，当代理无人机 1、代理无人机 2 的坐标不统一时：通过布置基站，将两个代理无人机安置标签以统一为一个坐标系；或以一个代理无人机的坐标系为参考坐标系，另一个代理无人机只需确定其初始相对于参考坐标系的初始状态，结合自身的计算的状态与初始状态通过一个旋转矩阵便可换算到参考坐标系上，由此实现两个代理无人机坐标系统一。
[0012]进一步地，所述构建代理无人机与目标无人机位置的位置关系模型，表示为：其中，表示代理无人机 1 到代理无人机 2 的相对位置， 上标 T 表示转 置， 为 k 时刻目标无人机的位置， 代表代理无人机 i 与目标无人机的相对距离，i=1,2；i=1,2；和分 别表示代理无人机1 和代理无人机 2 的初始位置，、表示代理无人机1、 2 的位移积分量，表示积分过程中的变量参数，=0，
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， k
‑
1。
[0013]进一步地，代理无人机自身的位移参数以及代理无人机之间、代理无人机与目标无人机之间的距离参数，表示为：
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式 2代表编号为 i 的代理无人机在 k 时刻的位移，表示编号为i 的代理无人机与编号为 j 的代理无人机/目标无人机在 k 时刻的欧几里得距离；位移和距离可以通过两个代理无人机的机载传感器测量，，表 示编号为i 的代理无人机的位置、 编号为 j 的代理无人机/目标无人机的位置。
[0014]与现有技术相比，本专利技术具有以下技术特点：1.本专利技术创新地将目标无人机的运动学模型用非线性系统代替，同时验证了其是稳定可行的；2.本专利技术创新地设计两个不同坐标系情况下的代理无人机的位置估计，并且通过误差分析验证其收敛性快，误差小； 3.本专利技术创新地设计了反同步围剿控制器，实现了快速的围剿效果； 4.本专利技术从数据角度分析，所需要的仅有距离测量，与目标无人机的无交互，并且代理无人机的独立性高，环境适应性更强；5.本专利技术仅有距离测量，从硬件上考虑，所需要的资源更少，同时计算复杂度更低。
附图说明
[0015]图1为距离测量示意图；
图2为在同一坐标系下的围剿仿真图；图3为在不同坐标系下的围剿仿真图；图4为本专利技术的实现流程图；图5为本专利技术的gazebo仿真图；图6为仿真轨迹图；图7为统一坐标系的误差图；图8为不同坐标系的误差图。
具体实施方式
[0016]本专利技术提出了一种基于距离测量的无人机围剿方法，与现有的研究不同的是，一方面，本专利技术将围剿目标定于成一个完全未知的非线性模型进行估计，另一方面，针对围剿目标，仅使用距离测量，顶替了过往研究中需要围剿目标与围剿者之间建立通信这样的不合常理的方法。同时，针对代理无人机间的定位问题，就实际情况考虑了代理无人机间是否在统一坐标系上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于距离测量的无人机围剿方法，其特征在于，包括：首先，确定代理无人机和目标无人机的动力学模型；其次，在代理无人机的坐标系统一的前提下，代理无人机实时获取自身的位移参数以及代理无人机之间、代理无人机与目标无人机之间的距离参数，结合所述动力学模型，构建代理无人机与目标无人机位置的位置关系模型，并构建对目标无人机的位置估计器；最后，利用位置估计器结合代理无人机到目标无人机之间的相对估计位置，通过预设的自适应围剿控制器，结合预设的针对于目标无人机的围剿轨迹的半径以及轨迹控制频率、控制器增益，得到代理无人机的速度控制指令，代理无人机根据所述速度控制指令围剿目标无人机；其中，所述自适应围剿控制器表示为：其中为控制器增益，满足，T为采样周期；是预先设定的围剿轨迹，代理无人机1和代理无人机2在以目标无人机为中心的圆形围剿轨迹上对称运动；r是代理无人机1和代理无人机2轨迹的半径，k表示时刻，R代表实数集，n代表维度，是围剿的轨迹控制频率；、表示代理无人机1、代理无人机2到目标无人机的相对估计位置，和是代理无人机1和代理无人机2的速度控制指令。2.根据权利要求1所述的基于距离测量的无人机围剿方法，其特征在于，所述构建对目标无人机的位置估计器，包括：表示目标无人机在k时刻位置估计量，则变量表示：其中，表示代理无人机1到代理无人机2的相对位置，上标T表示转置操作；对目标无人机的位置便可通过估计量进行估计，位置估计器表示为：其中是估计增益，表示为：其中，目标无人机在k时刻的协方差矩阵表示为：其中表示指数遗忘因子和表示信息利用因子；表示n维的单位矩阵，表示上一个时刻的协方差矩阵。3.根据权利要求1所述的基于距离测量的无人机围剿方法，其特征在于，所述预先设定的围剿轨迹满足.。4.根据权利要求1所述的基于距...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟伟，郭创鹏，刘芬，陈龙生，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：