[发明专利]一种多无人机集群编队协同控制算法

说明书

本发明公开了一种多无人机集群编队协同控制算法。在无人机集群规模较小的单集群情况下，该算法综合考虑分段航迹规划、无人机运动控制和网络拓扑优化等方面，实现了无人机集群突发威胁规避编队飞行；当无人机集群规模较大时，该算法采用分层控制的思想，对无人机集群进行分簇，每个簇组成集群协同运动的最小单元，簇内采用虚拟控制网络保证单集群的稳定性，簇间采用改进单集群协同控制算法，最终完成集群编队飞行任务。该方法可以有效地保证无人机集群飞行过程中按照预设队形飞行，同时飞行过程中能够规避障碍物并防止编队间无人机发生碰撞，MATLAB中数值模拟实现的无人机集群飞行轨迹证明了该方法的有效性。

技术领域

本发明属于无人机领域，特别涉及多无人机集群编队协同控制算法。

背景技术

近年来，无人机在民用和军事领域均得到了大量的应用。单无人机虽然也能实现大量的功能，但是在实际应用场景中，更多的是采用无人机集群编队的形式进行完成任务。无人机集群指的是搭载有探测雷达，传感器等负载，并且能够彼此进行信息通信的多架无人机组成的多智能体系统。在现代战场环境中，无人机集群的出现相比于单架无人机更能及时的对环境进行侦测，从而显著降低无人机被击毁的概率，提高无人机的生存率。

在瞬息万变的战场环境中，单无人机往往不能用于执行复杂的任务，作战能力十分有限。首先无人机体积的限制导致携带的电池能量较少，单无人机续航时间较短，当需要进行大范围搜查工作时，单架无人机的搜索效率将大大降低，同样也导致单无人机不适用于长时间搜索任务。其次，无人机在执行任务期间会受到多方面的干扰和威胁，单无人机抗毁能力有限，会降低完成指定任务的可能性。在现代化的背景下，考虑到单架无人机作业的不足，无人机集群显然更满足复杂的工作需求。无人机集群之间可以通过协同控制和信息通信进行协同作战。在战场环境下单架无人机仅仅只能勘测到部分局部信息，不利于多作战单元的配合作战，甚至由于单架无人机极易会被对方雷达发现并摧毁，影响整体的作战计划，导致作战任务失败。无人机集群在工作过程中，即使其中少量无人机被击落或损毁，但是由于集群作战具有较高的冗余度仍然可以继续作战，完成协同作战任务。并且经研究表明，多架无人机协同编队飞行在降低无人机损毁率的同时还能提高无人机作战能力。

在实际中，某些场景也需要集群采用固定队形行动，例如狼群在围捕猎物时常常由头狼统一指挥采用圆形队伍进行捕杀。军事和民用方面，无人机集群也广泛的采用固定队形完成一些特定的任务，例如采用“V”形编队可以有效的减少空气阻力，降低能量消耗；采用圆形队形能更大程度上提高对信息的侦察范围，在建筑物的尺寸测量和地形测绘方面多有应用。现在研究人员已经提出了多种编队控制算法，但是存在各种问题，如虚拟结构法需要虚拟节点和无人机一一对应，限制了无人机规模的扩展。本发明提出一种基于虚拟控制网络的无人机集群圆环形编队算法，实现了无人机的编队控制。

发明内容

本发明的目的是为了无人机集群的安全飞行，提出一种多无人机集群编队协同控制算法。为了实现该算法，本发明所采用的步骤是：

步骤1：首先对无人机集群通过k-means算法分簇处理

步骤2：对每个簇根据簇内所有的无人机位置信息计算虚拟中心点位置

步骤3：每个簇的虚拟中心点根据多因素Dubins航迹规划算法进行航迹规划。

步骤4：之后各个无人机分簇之间通过位置矢量共享的方式判断是否会发生碰撞，如果发生碰撞则通过多因素Dubins航迹规划算法重新计算并选择路径扩展点，否则集群中无人机选择相应的虚拟集群控制点。

步骤5：分别计算威胁区域的斥力、其它无人机的斥力、虚拟集群控制点的引力，计算无人机受到的合力，并计算下一步的位置。

步骤6：如果每个无人机集群都到达了设定的目标点附近则仿真结束，否则每个集群虚拟中心继续根据多因素Dubins航迹规划算法进行路径规划，重新按照上述算法步骤运行。

附图说明