一种固定翼无人机队形变换方法和系统技术方案

本发明专利技术一种固定翼无人机队形变换方法和系统，属于无人机技术领域。该方法具体包括：选取状态变量和操纵变量，建立无人机运动状态模型；确定多无人机队形参考点坐标，基于多目标点与参考点的距离和夹角计算多目标点坐标，实现队形矩阵表示；构建当前时刻距离矩阵，对所述距离矩阵进行行归约，实现多无人机与多目标点分配；确定一致性控制律，生成机间避撞策略，通过一致性控制完成多无人机队形变换。本发明专利技术针对固定翼无人机编队队形控制和变换任务，提升了变换过程的灵活性、协同能力以及效率。协同能力以及效率。协同能力以及效率。

【技术实现步骤摘要】
一种固定翼无人机队形变换方法和系统


[0001]本专利技术属于无人机
，涉及固定翼无人机编队队形控制及变换技术，更具体地，涉及一种固定翼无人机队形变换方法和系统。

技术介绍

[0002]随着无人机相关技术的发展，无人机在各方面尤其是军事方面发挥着越来越重要的作用，用在侦察、打击的各环节作战中，无人机的出现不断推动作战方式和模式的变革。无人机应用在军事领域中具有以下优点：作战零伤亡、造价相对低、体积小、环境适应性强、灵活、隐蔽性好。
[0003]近几十年来，无人机的相关技术已经较为成熟，但随之而来的是，应用场景更加多元，任务更加复杂，单架无人机效率低、任务完成率差，无人机集群作战便应运而生。无人机集群作战中，编队是基础，基于执行任务的目标及环境，通过变换不同队形以最小代价有效完成作战任务，赋予无人机更强的作战能力。
[0004]但是在当前较为常用的的编队队形变换方法中，无人机的建模相对简单，无法满足三维空间的队形变换，灵活性较低；常用的长机
‑
僚机方式仅对僚机进行控制，未控制长机，协同性较差；现有飞行控制算法如神经网络、H∞控制设计的控制器阶次较高，运行时间长，难以满足作战中实时性的要求，时效性不足。

技术实现思路

[0005]为了解决以上问题，本专利技术提出了一种固定翼无人机队形变换方法和系统。该方法针对现有的无人机编队队形变换中存在的灵活性较低、协同性较差、时效性不足等问题，基于信息一致性进行固定翼无人机的队形建模，利用匈牙利算法进行目标点的指派，基于一致性控制设计编队控制律并进行控制，将队形变换扩展至三维空间，模型更加贴近实际，改善了无人机编队的灵活性，对所有无人机实现了控制，改进了编队的协同能力，此外一致性算法运行代价低，实时性好，提升了队形变换的时效性。本专利技术涉及的多无人机一致性建模、编队队形表示、队形目标点分配、多无人机一致性控制等技术，针对固定翼无人机编队队形控制和变换任务，提升了变换过程的灵活性、协同能力以及效率。
[0006]根据本专利技术技术方案的第一方面，提供一种固定翼无人机队形变换方法，具体包括：
[0007]S1：多无人机建模步骤，选取状态变量和操纵变量，建立多无人机运动状态模型；
[0008]S2:队形矩阵表示及多目标点生成步骤，确定多无人机队形参考点坐标，基于多目标点与参考点的距离和夹角计算多目标点坐标，实现队形矩阵表示；
[0009]S3：目标点分配步骤，构建当前时刻距离矩阵，对所述距离矩阵进行行归约，实现多无人机与多目标点分配；
[0010]S4:多无人机一致性控制步骤，确定一致性控制律，生成机间避撞策略，通过一致性控制完成多无人机队形变换。
[0011]进一步地，所述步骤S1中，无人机i在t时刻的无人机运动状态模型表示如下：
[0012][0013]其中，状态变量为r
i
＝[v
xit
,v
yit
,v
zit
,a
xit
,a
yit
,a
zit
,x
it
,y
it
,z
it
]T
,v
xit
,v
yit
,v
zit
分别代表t时刻无人机i在x、y、z轴上的分速度，a
xit
,a
yit
,a
zit
代表t时刻无人机i在x、y、z轴上的分加速度，x
it
,y
it
,z
it
代表t时刻无人机i在三维坐标系下的坐标，操纵变量为u
i
＝[a
xit
,a
yit
,a
zit
]T
，即通过三个方向的加速度来控制无人机i的运动过程。
[0014]进一步地，所述步骤S2中，所述多无人机队形参考点坐标的计算公式为：
[0015][0016][0017][0018]其中，X0，Y0，Z0为多无人机队形参考点在x、y、z轴上的坐标，x
it
,y
it
,x
it
代表t时刻无人机i在三维坐标系下的坐标，n为编队中无人机的数目。
[0019]进一步地，所述步骤S2中，所述多目标点坐标，即队形矩阵表示为：
[0020]X
j
＝X0+Lj*cosθj*cosψj
[0021]Y
j
＝Y0+Lj*cosθj*sinψj
[0022]Z
j
＝Z0+Lj*sinθj
[0023]其中，X
j
，Y
j
，Z
j
为目标点j坐标，X
n
，Y0，Z0为多无人机队形参考点在x、y、z轴上的坐标，θj和ψj分别是目标点j与参考点在竖直方向和水平方向上的偏向角，Lj为目标点j与参考点的距离。
[0024]进一步地，所述步骤S3具体包括：
[0025]通过匈牙利算法，构建当前时刻某无人机与多目标点的距离矩阵；
[0026]对所述距离矩阵中每一行进行归约，保证归约后每一行都存在唯一的0元素并映射为1，其余元素映射为0，则所述距离矩阵转换为0、1矩阵；
[0027]在该0、1矩阵中，逐行查找1元素，若当前1元素所在列不存在第二个1 元素时，将当前无人机与该目标点进行绑定，否则对所有的1元素映射为实际距离，选择距离最小值进行指派；
[0028]完成当前无人机的指派后，对剩余未指派的无人机与目标点重新计算指派的 0、1矩阵，重复指派操作，直至完成所有无人机的目标点指派。
[0029]进一步地，所述步骤S4中，所述一致性控制律为：
[0030]A
xi,t+1
＝kp1*(V
xdj,t
‑
V
xi,t
+k1*Δx
t
)
[0031]A
yi,t+1
＝kp2*(V
ydj,t
‑
V
yi,t
+k2*Δy
t
)
[0032]A
zi,t+1
＝kp3*(V
zdj,t
‑
V
zi,t
+k3*Δz
t
)
[0033]其中，A
xi,t+1
,A
yi,t+1
,A
zi,t+1
分别为t+1时刻无人机i在三维空间X、Y、Z 三个方向的加速度，ko1，kp2，kp3，k1，k2，k3为常数系数，V
xdj,t
，V
ydj,t
,V
zdj,t
为t时刻目标点j在三个轴上的
分速度，V
xi,t
，V
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固定翼无人机队形变换方法，其特征在于，具体包括：S1：多无人机建模步骤，选取状态变量和操纵变量，建立多无人机运动状态模型；S2:队形矩阵表示及多目标点生成步骤，确定多无人机队形参考点坐标，基于多目标点与参考点的距离和夹角计算多目标点坐标，实现队形矩阵表示；S3：目标点分配步骤，构建当前时刻距离矩阵，对所述距离矩阵进行行归约，实现多无人机与多目标点分配；S4:多无人机一致性控制步骤，确定一致性控制律，生成机间避撞策略，通过一致性控制完成多无人机队形变换。2.根据权利要求1所述的固定翼无人机队形变换方法，其特征在于，所述步骤S1中，无人机i在t时刻的无人机运动状态模型表示如下：其中，状态变量为r
i
＝[v
xit
,v
yit
,v
zit
,a
xit
,a
yit
,a
zit
,x
it
,y
it
,z
ut
]
T
,v
xit
,v
yit
,v
zit
分别代表t时刻无人机i在x、y、z轴上的分速度，a
xit
,a
yit
,a
zit
代表t时刻无人机i在x、y、z轴上的分加速度，x
it
,y
it
,z
it
代表t时刻无人机i在三维坐标系下的坐标，操纵变量为u
i
＝[a
xit
,a
yit
,a
zit
]
T
，即通过三个方向的加速度来控制无人机i的运动过程。3.根据权利要求1所述的固定翼无人机队形变换方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述多无人机队形参考点坐标的计算公式为：人机队形参考点坐标的计算公式为：人机队形参考点坐标的计算公式为：其中，X0，Y0，Z0为多无人机队形参考点在x、y、z轴上的坐标，x
it
,y
it
,z
it
代表t时刻无人机i在三维坐标系下的坐标，n为编队中无人机的数目。4.根据权利要求3所述的固定翼无人机队形变换方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述多目标点坐标，即队形矩阵表示为：X
j
＝X0+Lj*cosθj*cosψjY
j
＝Y0+Lj*cosθj*sinψjZ
j
＝Z0+Lj*sinθj其中，X
j
，Y
j
，Z
j
为目标点j坐标，X0，Y0，Z0为多无人机队形参考点在x、y、z轴上的坐标，θj和ψj分别是目标点j与参考点在竖直方向和水平方向上的偏向角，Lj为目标点j与参考点的距离。5.根据权利要求1所述的固定翼无人机队形变换方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：通过匈牙利算法，构建当前时刻某无人机与多目标点的距离矩阵；对所述距离矩阵中每一行进行归约，保证归约后每一行都存在唯一的0元素并映射为
1，其余元素映射为0，则所述距离矩阵转换为0、1矩阵；在该0、1矩阵中，逐行查找1元素，若当前1元素所在列不存在第二个1元素时，将当前无人机与该目标点进行绑定，否则对所有的1元素映射为实际距离，选择距离最小值进行指派；完成当前无人机的指派后，对剩余未指派的无人机与目标点重新计算指派的0、1矩阵，重复指派操作，直至完成所有无人机的目标点指派。6.根据权利要求1所述的固定翼无人机队形变换方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述一致性控制律为：A
xi，t+1
＝kp1*(V
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张耕瑞，吕斐凯，宋国鹏，郑志强，孙建桐，
申请(专利权)人：航天时代飞鸿技术有限公司，
类型：发明
国别省市：