一种无人机集群控制与避障方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种无人机集群控制与避障方法和装置，属于无人机技术领域，解决现有无人机对外界环境的感知能力、动态变换能力、避障能力不足以满足其自身的避障需求的问题。方法包括：在无人机集群中的部分无人机感知到障碍物时，部分无人机中的每架无人机根据自身定位和障碍物感知结果定位障碍物位置并在无人机集群中广播障碍物位置；无人机集群根据障碍物位置进行自适应变化并自主调整无人机自身航向，使障碍物始终保持在无人机集群的视线范围内；在无人机集群通过障碍物之后，无人机集群的队尾保持面向障碍物以确保无人机集群整体脱离障碍物范围。无人机集群根据障碍物进行自适应变化并自主调整无人机自身航向以实现集群大范围障碍物感知能力。群大范围障碍物感知能力。群大范围障碍物感知能力。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机集群控制与避障方法和装置


[0001]本专利技术涉及无人机
，尤其涉及一种无人机集群控制与避障方法和装置。

技术介绍

[0002]无人机集群目前多在空旷场地进行飞行，在城市这种复杂环境下执行任务对集群的动态变换能力、避碰能力和避障能力均提出了更高的要求；小型化无人机平台携带的传感器种类与数量有限，导致集群中的个体对外界环境的感知能力不足以满足其自身的避障需求。

技术实现思路

[0003]鉴于上述的分析，本专利技术实施例旨在提供一种无人机集群控制与避障方法和装置，用以解决现有无人机对外界环境的感知能力、动态变换能力、避障能力不足以满足其自身的避障需求的问题。
[0004]一方面，本专利技术实施例提供了一种无人机集群控制与避障方法，包括：在无人机集群中的部分无人机感知到障碍物时，所述部分无人机中的每架无人机根据自身定位和障碍物感知结果定位障碍物位置并在所述无人机集群中广播所述障碍物位置；所述无人机集群根据所述障碍物位置进行自适应变化并自主调整无人机自身航向，使所述障碍物始终保持在所述无人机集群的视线范围内；以及在所述无人机集群通过障碍物之后，所述无人机集群的队尾保持面向障碍物以确保所述无人机集群整体脱离障碍物范围。
[0005]上述技术方案的有益效果如下：无人机集群根据障碍物位置进行自适应变化并自主调整无人机自身航向，在单机携带少量视觉传感器的情况下仍实现集群大范围障碍物感知能力，有效降低机体平台的尺寸和重量限制。
[0006]基于上述方法的进一步改进，所述无人机集群根据所述障碍物位置进行自适应变化包括无人机集群根据所述障碍物位置按照聚合准则、分离准则和速度匹配准则进行自适应变化，其中，所述聚合准则，所述无人机集群中每架无人机获得邻域内的其他无人机的位置信息，结合自身位置与控制算法计算出期望状态偏移量反馈到自身控制器上，使当前无人机与所述无人机集群中心位置距离越来越近，以达到聚合状态；所述分离准则，获取每架无人机自身位置与邻域内其他无人机位置之间的距离偏移量，将所述距离偏移量反馈到自身控制器上，当所述距离偏移量小于无人机之间的安全距离时，所述自身控制器产生与所述距离偏移量大小成反比的排斥力，所述排斥力的存在使得所述无人机集群在运动中分离；所述速度匹配准则，每架无人机实时获取邻域内其他无人机的速度信息，将其他无人机的速度与当前无人机的速度进行比较以获得速度偏移量，将所述速度偏移量反馈到自身控制器中进行速度调整，使所述无人机集群中的所有无人机的速度大小和方向达到一致。
[0007]基于上述方法的进一步改进，所述无人机集群根据所述障碍物位置自主调整无人机自身航向包括所述无人机集群根据所述障碍物位置按照视角分布准则调整无人机自身航向，其中，所述视角分布准则为所述无人机集群中每架无人机通过调整朝向，使所述无人
机集群的视线角度以所述无人机集群为中心均匀分布，以及通过获取邻域内其他无人机的位置和朝向，将期望航向角反馈到自身控制器上，使得相比于视线角度为设置为均匀分布的所述无人机集群，视线角度均匀分布的无人机集群获得较大的视线范围。
[0008]基于上述方法的进一步改进，无人机集群控制与避障方法还包括利用集群控制算法对初始位置随机分布的无人机集群进行集群控制来实现：所述无人机集群中各个无人机之间的距离趋于一致；所述无人机集群以虚拟领航者为中心向期望方向运动；在所述无人机集群遇到障碍物时自动避障；通过障碍物范围后集群重新向中心聚拢，恢复编队。
[0009]基于上述方法的进一步改进，所述集群控制算法包括：第i个无人机的控制输入u
i
和w
i
，其中，基于控制输入u
i
控制所述无人机集群中无人机之间的相对位置和速度，基于控制输入w
i
控制所述无人机集群中无人机的视线角分布。
[0010]基于上述方法的进一步改进，无人机机载视觉传感器固连在机体之上，通过以下公式表示第i个无人机的控制输入w
i
：
[0011]w
i
＝k
i
*(2π*i/N
i
‑
γ
i
)
[0012]其中，k
i
为无人机i的航向控制增益，γ
i
为第i个无人机的航向角，N
i
为第i个无人机的邻域：
[0013]N
i
＝{||q
j
‑
q
i
||＜r，j≠i，j＝1，...n}
[0014]i和j为无人机编号，r为无人机感知半径。
[0015]基于上述方法的进一步改进，根据以下公式表示的无人机集群总体势能V(q)确定第i个无人机的控制输入u
i
：
[0016][0017]其中，q为所述无人机集群中所有无人机位置集合，ψ
α
(z)为当前距离z到期望距离d
α
的势能积分：
[0018][0019]φ
α
为两个无人机之间的吸引力：
[0020][0021][0022][0023]其中，a、b、c、h为曲线参数，r
α
为无人机的感知距离，由于范数||z||在z＝0处不可导，将范数||z||改写为处处可导的范数||z||
σ
，范数||z||
σ
用于构造光滑的人工势场函数，
ε为范数参数。
[0024]基于上述方法的进一步改进，通过以下公式表示所述第i个无人机的控制输入u
i
为第i个无人机的编队项控制输入无人机i的虚拟领航者反馈项控制输入与无人机i的虚拟智能体反馈项控制输入之和：
[0025][0026][0027][0028][0029]其中，a
ij
表示无人机i和j之前是否连通，0表示不连通，1表示连通，n
ij
为无人机i指向无人机j的方向向量，q
l
为所述虚拟领航者的位置向量，p
l
为所述虚拟领航者的速度向量，c1和c2分别为虚拟领航者的位置参数和速度参数，为虚拟智能体集合，和分别为第j个虚拟智能体的位置向量、速度向量及其与无人机i的连通情况，n
ij
为无人机i指向虚拟智能体j的方向向量。
[0030]基于上述方法的进一步改进，所述虚拟智能体在障碍物距离无人机最近处生成，当所述虚拟智能体处于无人机的安全距离之内时对无人机产生排斥力，且距离越近排斥力越大，无人机在靠近障碍物时会在所述排斥力的影响下进行减速并向远离障碍物方向运动，其中，当无人机在排斥力作用下远离虚拟智能体时实现自动避障直到障碍物处于其安全距离。
[0031]另一方面，本专利技术实施例提供了一种无人机集群控制与避障装置，包括：障碍物数据获取模块，用于在无人机集群中的部分无人机感知到障碍物时，所述部分无人机中的每架无人机根据自身定位和障碍物感知结果定位障碍物位置；数据传本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机集群控制与避障方法，其特征在于，包括：在无人机集群中的部分无人机感知到障碍物时，所述部分无人机中的每架无人机根据自身定位和障碍物感知结果定位障碍物位置并在所述无人机集群中广播所述障碍物位置；所述无人机集群根据所述障碍物位置进行自适应变化并自主调整无人机自身航向，使所述障碍物始终保持在所述无人机集群的视线范围内；以及在所述无人机集群通过障碍物之后，所述无人机集群的队尾保持面向障碍物以确保所述无人机集群整体脱离障碍物范围。2.根据权利要求1所述的无人机集群控制与避障方法，其特征在于，所述无人机集群根据所述障碍物位置进行自适应变化包括无人机集群根据所述障碍物位置按照聚合准则、分离准则和速度匹配准则进行自适应变化，其中，所述聚合准则，所述无人机集群中每架无人机获得邻域内的其他无人机的位置信息，结合自身位置与控制算法计算出期望状态偏移量反馈到自身控制器上，使当前无人机与所述无人机集群中心位置距离越来越近，以达到聚合状态；所述分离准则，获取每架无人机自身位置与邻域内其他无人机位置之间的距离偏移量，将所述距离偏移量反馈到自身控制器上，当所述距离偏移量小于无人机之间的安全距离时，所述自身控制器产生与所述距离偏移量大小成反比的排斥力，所述排斥力的存在使得所述无人机集群在运动中分离；所述速度匹配准则，每架无人机实时获取邻域内其他无人机的速度信息，将其他无人机的速度与当前无人机的速度进行比较以获得速度偏移量，将所述速度偏移量反馈到自身控制器中进行速度调整，使所述无人机集群中的所有无人机的速度大小和方向达到一致。3.根据权利要求1所述的无人机集群控制与避障方法，其特征在于，所述无人机集群根据所述障碍物位置自主调整无人机自身航向包括所述无人机集群根据所述障碍物位置按照视角分布准则调整无人机自身航向，其中，所述视角分布准则为所述无人机集群中每架无人机通过调整朝向，使所述无人机集群的视线角度以所述无人机集群为中心均匀分布，以及通过获取邻域内其他无人机的位置和朝向，将期望航向角反馈到自身控制器上，使得相比于视线角度为设置为均匀分布的所述无人机集群，视线角度均匀分布的无人机集群获得较大的视线范围。4.根据权利要求1所述的无人机集群控制与避障方法，其特征在于，还包括利用集群控制算法对初始位置随机分布的无人机集群进行集群控制来实现：所述无人机集群中各个无人机之间的距离趋于一致；所述无人机集群以虚拟领航者为中心向期望方向运动；在所述无人机集群遇到障碍物时自动避障；通过障碍物范围后集群重新向中心聚拢，恢复编队。5.根据权利要求4所述的无人机集群控制与避障方法，其特征在于，所述集群控制算法包括：第i个无人机的控制输入u
i
和w
i
，其中，基于控制输入u
i
控制所述无人机集群中无人机之间的相对位置和速度，基于控制输入w
i
控制所述无人机集群中无人机的视线角分布。6.根据权利要求5所述的无人机集群控制与避障方法，其特征在于，无人机机载视觉传感器固连在机体之上，通过以下公式表示第i个无人机的控制输入w
i
：w
i
＝k
i
*(2π*i/N
i
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：赵小川，李陈，冯运铎，董忆雪，燕琦，刘华鹏，王裕兴，
申请(专利权)人：中国兵器工业计算机应用技术研究所，
类型：发明
国别省市：