[发明专利]一种无人机编队协同侦察的任务规划方法

权利要求书

1.一种无人机编队协同侦察的任务规划方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将待侦察区域设定为一个矩形区域，这个矩形区域可用其四个顶点的坐标表示，分别为v₁(x_v1，y_v1)、v₂(x_v2，y_v2)、v₃(x_v3，y_v3)和v₄(x_v4，y_v4)；并将无人机编队的起飞点和着陆点设为同一点o(0，0)；假设，由n架无人机组成的编队，矩形区域进行协同侦察，距离起飞着陆点o最远的子区域是s₁，以无人机编队的起飞着陆点o为原点，ox轴平行于待侦察矩形区域的长边，oy轴平行于待侦察矩形区域的短边，建立平面直角坐标系xoy，坐标系xoy是一个右手坐标系；

步骤2：确定离无人机编队起飞着陆点最近的矩形顶点；

依次计算起飞着陆点o至矩形的4个顶点v₁、v₂、v₃和v₄的距离d₁、d₂、d₃和d₄，如下：

计算起飞着陆点o至矩形的4个顶点的最近和最远距离，如下：

其中，Min是取最小值运算的算子，Max是取最大值运算的算子；

确定距离起飞着陆点s最近的顶点，如下：

步骤3：确定是否满足通信要求；

如果：d_max＜d_comm，则转步骤4；否则转步骤16；其中，d_comm表示无人机地面控制站与无人机之间的最大通信距离；

步骤4：计算矩形边长d_x和d_y；

矩形的一个长边是由顶点v₁和v₂构成的边，其长度表示为d_x；矩形的一个短边是由顶点v₁和v₄构成的边，其长度表示为d_y；

步骤5：设一架无人机执行侦察任务过程中需要飞行m_io个往返，则它飞行的总距离d为：

其中，d_t为无人机一次转弯的飞行距离；

其所需的飞行时间t为：

其中，v为无人机的平均飞行速度；

步骤6：确定是否满足航程要求；

无人机由起飞着陆点o飞行至矩形区域顶点v₁再至矩形区域顶点v₄距离为：

d₅＝d₁+d_y    (7)

计算对无人机的最小航程需求d₆，如下：

d₆＝2d_x+d_t+2d₅   (8)

其中，2d_x+d_t表示无人机在矩形区域往返飞行一次；

如果：d₆＜d_uav，则转步骤7；否则转步骤16；

其中，d_uav表示无人机的最大航程；

步骤7：确定无人机编队中侦察无人机的架数；

计算无人机的最大飞行时间t_uav，如下：

计算无人机往返矩形区域一次的飞行时间，如下：

计算无人机在侦察区域内的最长滞留时间，如下：

其中，t_w是侦察窗口时间；

那么，无人机编队中侦察无人机的架数n由下式确定：

其中，符号表示向上取整；

步骤8：确定是否满足无人机架数限制要求；

如果：n＞n_uav，则转步骤9；否则转步骤16；

其中，n_uav表示当前可使用的无人机架数，若可使用的无人机架数不能满足编队要求，任务规划失败；

步骤9：根据侦察无人机的架数，将矩形区域沿其短边等分成若干矩形子区域；

沿矩形短边d_y划分成n等分，划分后每一个矩形子区域仍是一个矩形，且其长边边长均为d_x，短边边长均为w_y，w_y计算如下：

因此，可得第i条矩形子区域s_i的左下角的坐标(x_si，y_si)为：

由n架侦察无人机组成的无人机编队中，其每架无人机在执行任务时仅负责一个矩形子区域的侦察任务；

步骤10：确定一架无人机进入一个矩形子区域的往返次数；

一架无人机执行任务时需要在一个矩形子区域的往返次数m为：

往返1次表示沿ox轴正向和反向飞行各1次，而飞行1次定义为无人机进入和退出矩形子区域各1次；也就是说，往返1次表示无人机进入和退出同一个矩形子区域各2次，需要经过4个航路点；

步骤11：确定无人机在一个矩形子区域往返飞行的航路点坐标；

无人机编队中的每一架无人机负责一个矩形子区域的侦察任务；无人机需要多次进出这个矩形子区域，所获得的图像才能完全覆盖整个矩形子区域；由式(15)可知，每一架无人机在执行任务时共需进出m次它所负责的那个矩形子区域；

沿矩形子区域短边w_y划分成m等分，划分后每一个矩形带仍是一个矩形，且其长边边长均为d_x，短边边长均为4Δ，Δ计算如下：

无人机在一条矩形带进出一次需要定义4个航路点，无人机航路点计算如下：

无人机进入矩形子区域s_i进入点e_i的坐标确定如下：

无人机退出矩形子区域s_i的退出点q_i的坐标确定如下：

无人机航路点包括无人机进入点u_i，1、退出点u_i，4m、往返进入点和往返退出点；bw₀表示侦察重叠区，b是重叠度，0＜b＜1；

步骤12：确定无人机编队去程集合点和回程解散点a；

去程集合点和回程解散点a为直线ov₁上的一点，且满足下列条件：

d_oa＞d_int    (20)

其中，d_oa为线段oa的长度，d_int为无人机编队中前后两架无人机的间距；

去程集合点和回程解散点为同一点；d_uav与无人机参数及编队飞行要求有关，为一个设计参数，在任务分配中可视为一个已知值；在去程时，各架无人机在a点组成横一字队形进行编队飞行，并在b点解散，至各矩形子区域的进入点组成竖一字队形对待侦察的矩形区域进行协同广域侦察；侦察任务完成后，退出矩形区域并在b点再次组成横一字队形进行编队飞行，飞至a点后解散，各自按照安排着陆；

步骤13：确定编队的去程解散点和回程集合点b；

去程解散点和回程集合点b为直线ov₁上的一点，且满足下列条件：

其中，为线段bv₁的长度；

去程解散点和回程集合点为同一点；同时，b点的选择应使得编队中各架无人机飞抵各自的矩形子区域进入点的时间尽可能相同；

步骤14：为编队中每一架无人机指派任务；

无人机编队由n架无人机uav₁，uav₂，…，uav_n组成，而待侦察的矩形区域划分成n各等分的矩形子区域s₁，s₂，…，s_n；任务指派如下：

无人机uav₁执行矩形子区域s₁的侦察任务；无人机uav₂执行矩形子区域s₂的侦察任务；……；无人机uav_n执行矩形子区域s_n的侦察任务；

横一字编队中的第1架无人机是uav₁被指派完成距起飞着陆点o最远的矩形子区域s₁；编队中的第2架无人机是uav₂被指派完成距起飞着陆点o次远的矩形子区域s₂；……；编队中的第n架无人机是uav_n被指派完成距起飞着陆点o最近的矩形子区域s_n；目的是尽可能使得各架无人机同时达到其指派的矩形子区域的无人机进入点；

步骤15：为编队中每一架无人机生成任务规划表，任务规划结束；

表1 uav_i任务规划表，i＝1，2，…，n

任务规划结束，为每一架无人机生成一种任务计划表，可在起飞前装订到各架无人机上；其中，uav_i中的i表示其在去程编队中的顺序，i＝1，2，…，n，回程时的顺序刚好与去程时的顺序相反；起飞时间可根据uav_i自o点起飞、经v₁点飞抵e_i所需花费的时间，在根据侦察窗口时间要求，计算得到uav_i的起飞时间；

步骤16：不能进行规划，任务规划结束。