一种一致性联合虚拟势场的无人车编队控制方法技术

本发明专利技术公开了一种一致性联合虚拟势场的无人车编队控制方法，该方法对人工势场法进行改进，并在控制阶段考虑到惯性因素，也考虑到分布式系统的一致性需求，首先对队内无人车进行二维动力学模型建模且无人车编队与地面站采用分布式通信，应分布式系统一致性需求，各无人车节点需保持位置、速度的一致性；然后利用人工势场法易理解的特点，将其应用于无人车间编队；最后确定无人车的总输入，其由编队控制输入与目标点移动输入共同组成，并利用ROS分布式通信机制进行编队内信息。本发明专利技术目标点移动输入的设计充分降低了惯性因素的影响，以此降低实物移动试验的偏差；将一致性编队方法与虚拟势场相结合，实现无人车编队移动、队形变换与队形保持的功能。变换与队形保持的功能。变换与队形保持的功能。

【技术实现步骤摘要】
一种一致性联合虚拟势场的无人车编队控制方法


[0001]本专利技术涉及一种一致性联合虚拟势场的无人车编队控制方法，属于无人车


技术介绍

[0002]近年来，无人车集群编队作为智能化、无人化趋势中的重要部分已成为当下的研究热点，无人车(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)作为一种高机动无人移动器，其小型、低成本、易携带和易投射的特点使其在现代战争、民生经济生活中得到广泛应用，集群化的无人车可以更加高效快速地完成对敌作战、物流配送和救灾支援等任务。多无人车控制算法主要分为：路径规划、编队移动和避障避撞以及队形变换、重构和目标检测搜索，编队算法比如经典的Leader
‑
Follower法、人工势场法。其中，人工势场法因为原理简洁易懂、实现简单而研究者众多。但是目前无人车存在三个突出的问题：1)是目标与障碍物距离过近导致目标不可达；2)是引力与斥力大小相等，方向相反，易陷入局部极小点；3)是航迹狭窄区域，周围障碍物均施加斥力，无人车可能陷入震荡。采用人工势场法进行集群编队控制的首要目标是解决这三个突出问题以保证集群稳定性与安全性。针对人工势场法的各项缺点，部分学者提出施加额外力来使无人车脱离当前极小点，或是在目标附近时，降低障碍物斥力影响，使无人车缓慢靠近目标。但这些方法都存在不稳定、实用性待考证等问题，在应用到实际环境中时，由于真实环境中存在的各项干扰(风速、电磁干扰、环境噪声)与惯性等因素，无人车的安全性无法得到充分保障，从而集群的稳定性也受到影响。此外由于集群的高机动性，且集群系统在常规环境下，是一个高阶、非线性并具有通信延迟、干扰的非理想系统，集群系统需保持一致性稳定，定义队形保持的位置和速度协同变量，同时对于分布式系统，其需要满足信息一致性，因此在设计分布式集群控制算法时，一致性是首要考虑的要素之一。在此两个方向的研究基础上，结合人工势场和一致性方法，有学者提出了一种基于人工势场的领航跟随方法，同时考虑了编队效果和一致性需求，但该方法未考虑到惯性因素，对环境适应度较低，也没有考虑无人车层级以及所处环境位置对虚拟势场力的影响。但是，以上研究都只局限于集群编队仿真的某个阶段，均没有对真实环境中集群编队移动任务的全过程进行完整流程分析。

技术实现思路

[0003]本专利技术目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种一致性联合虚拟势场的无人车编队控制方法，该方法对人工势场法进行改进，并在控制阶段考虑到环境中的惯性因素，同时也考虑到分布式系统的一致性需求。首先对队内无人车进行二维动力学模型建模且无人车编队与地面站采用分布式通信，应分布式系统一致性需求，各无人车节点需保持位置、速度的一致性，然后利用人工势场法易于理解的特点，将其应用于无人车间编队，同时对其进行改进以解决目标不可达问题，最后确定无人车的总输入，其由编队控制输入与目标点移动输入共同组成，并利用ROS分布式通信机制进行编队内信息实时共享更新。
[0004]本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：一种一致性联合虚拟势场的无人车编队控制方法，该方法包括如下步骤：
[0005]步骤1：无人车开机进行试验前检查，各传感器工作正常，进行集群通信测试，测试完毕后解锁启动并悬停，监测各无人车参数是否正常；
[0006]步骤2：地面站通过数据链路发送任务指令，无人车集群接收指令，记录初始GPS并计算偏移量L与速度v；
[0007]步骤3：各无人车发布自身状态包括位置、速度和四元数，订阅邻节点状态信息，获取队形偏移量后组成对应队形，计算队形保持输入，生成势函数并计算势函数输入；
[0008]步骤4：由势函数输入与队形保持输入计算编队控制输入由实时速度和位置计算目标点移动输入，最后计算总输入并输入飞控。
[0009]有益效果：
[0010]1.本专利技术通过将障碍物施加给无人车的斥力剥离，将目标点移动输入按照与目标点距离的变化而随之变化，减少了位移误差。
[0011]2.本专利技术将分布式系统一致性需求加入到编队控制策略中，使集群能够保持位置、速度的一致性，实现了编队队形保持与队形变换的功能，保证了集群能够有序执行移动任务。
附图说明
[0012]图1为本专利技术的方法流程图。
具体实施方式
[0013]下面结合本专利技术的附图，对本专利技术做清楚、完善的说明。
[0014]如图1所示，本专利技术提出了一种一致性联合虚拟势场的编队控制方法，该方法包括如下步骤：
[0015]步骤1：无人车开机进行试验前检查，各传感器工作正常，进行集群通信测试，测试完毕后解锁启动并悬停，监测各无人车参数是否正常；
[0016]步骤2：地面站通过数据链路发送任务指令，无人车集群接收指令，记录初始GPS并计算偏移量L与速度v；
[0017]步骤3：各无人车发布自身状态包括位置、速度和四元数，订阅邻节点状态信息，获取队形偏移量后组成对应队形，计算队形保持输入，生成势函数并计算势函数输入；
[0018]步骤4：由势函数输入与队形保持输入计算编队控制输入由实时速度和位置计算目标点移动输入，最后计算总输入并输入飞控。
[0019]编队控制输入的公式为：
[0020][0021]其中，为势函数输入，为队形保持输入；
[0022]队形保持输入的公式为：
[0023][0024][0025]其中，p
i
、v
i
、u
i
为无人车i的期望位置、速度与输入项，；v
j
、p
j
为无人车j的期望速度与期望位置，K
ij
为无人车i与无人车j之间的编队系数，K
p
为速度控制系数，o
i
表示无人车i的队形偏移量，o
j
表示无人车j的队形偏移量，N为无人车数量。
[0026]无人车i的势函数输入的公式为：
[0027][0028]其中，U
ij
为无人车i与无人车j之间的势能，势场施加给无人车的引力/斥力为势函数的梯度；表示对无人车i所处位置求梯度。
[0029]无人车i所受无人车j施加的势场力公式为：
[0030][0031]N表示无人车数量，f
j
表示无人车j施加给无人车i的势场力。
[0032]虚拟势场函数U
ij
(||p
ij
||)公式为：
[0033][0034]其中，α、β和δ均为常数，p
ij
为无人车i与无人车j的相对距离；R则表示无人车的有效通信范围。该式稳定性、鲁棒性由已有文献推导给出，无人车间距离过小，施加斥力以避免碰撞，反之施加一定引力以避免无人车离群；
[0035]目标点移动输入的公式为：
[0036][0037][0038]其中，s为距离目标点偏移量，为矢量，v
i
(s)表示无人车i在s处的速度矢量；zoom含义是时间属性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种一致性联合虚拟势场的无人车编队控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：无人车开机进行试验前检查，各传感器工作正常，进行集群通信测试，测试完毕后解锁启动并悬停，监测各无人车参数是否正常；步骤2：地面站通过数据链路发送任务指令，无人车集群接收指令，记录初始GPS并计算偏移量L与速度v；步骤3：各无人车发布自身状态包括位置、速度和四元数，订阅邻节点状态信息，获取队形偏移量后组成对应队形，计算队形保持输入，生成势函数并计算势函数输入；步骤4：由势函数输入与队形保持输入计算编队控制输入由实时速度和位置计算目标点移动输入，最后计算总输入并输入飞控。2.根据权利要求1所述一致性联合虚拟势场的无人车编队控制方法，其特征在于，所述步骤4中，编队控制输入的公式为：其中，为势函数输入，为队形保持输入；队形保持输入的公式为：队形保持输入的公式为：其中，p
i
、v
i
、u
i
为无人车i的期望位置、速度与输入项，v
j
、p
j
为无人车j的期望速度与期望位置，K
ij
为无人车i与无人车j之间的编队系数，K
p
为速度控制系数，o
i
表示无人车i的队形偏移量，o
j
表示无人车j的队形偏移量，N为无人车数量；无人车i的势函数输入的公式为：其中，U
ij
为无人车i与无人车j之间的势能，势场施加给无人车的引力/斥力为势函数的梯度；表示对无人车i所处位置求...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丽君，李大鹏，董广胜，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：