[发明专利]无人机编队中无线紫外光预警广播防碰撞方法

权利要求书

1.无人机编队中无线紫外光预警广播防碰撞方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：快速建立无人机间紫外光通信链路；

步骤1.1：在每个无人机上搭载半球型的紫外LEDs阵列均具有唯一节点ID号；每个节点生成请求信息帧，依次按纬向和经向扫描式发送M个、N个包含该纬向编码、经向编码的请求信息帧，直到收到回应该节点的应答信息帧；

步骤1.2：其他无人机通过全向接收机接收请求信息帧，接收到请求信息帧的节点将来自同一节点发出的接收信号最强的经向、纬向编码组成一组方向坐标，表明请求信息帧由发送节点的此方向处LED发送；接收节点发送回应请求信息帧的应答信息帧，发送方式与步骤1中的方式完全相同，直到接收到确认信息帧停止发送；

步骤1.3：当步骤1.1的发送节点接收到步骤1.2中接收节点发送的应答信息帧后，确认发送节点相对于接收节点的方向坐标，此时发送节点已单向发现接收节点；发送节点需生成确认信息帧并直接通过步骤1.2中接收节点的方向坐标发送确认信息帧，无需扫描；

步骤1.4：步骤1.2中的接收节点接收到确认信息帧后，获得接收节点相对于接收节点的方向坐标，此时双方已互相发现，成功建立起无人机之间的通信链路；

步骤2：动态障碍物轨迹预测；

建立起通信链路后每架无人机协调自身行为合作避开动态障碍物，无人机编队根据障碍物的状态变化协调编队成员进行行为选择；为了有效避免动态障碍物的碰撞，无人机编队通过对障碍物移动位置的预测来辅助编队成员决策；考虑到障碍物的轨迹在空间中是一条三维动态曲线，通过障碍物位置的历史信息使用最小二乘法拟合运动轨迹，从而预测出障碍物后续可能到达的位置执行接下来的避障任务；

设已知动态障碍物的一组历史位置为：

G_n＝{(x_i,y_i,z_i)},i＝1,2,3…n；

其中G_n是障碍物历史位置的数据点集合，(x_i,y_i,z_i)是障碍物在第i个位置时的三维坐标点，n是第n个位置；

使用空间曲线拟合时曲线表示为：

公式(1)中，t为采样时刻，x，y，z分别是随着采样时刻的变化所得到的障碍物在三维坐标系中的坐标值，对动态障碍物的轨迹预测需拟合x，y，z分别关于t的曲线，Fx(t)，Fy(t)，Fz(t)分别是x，y，z关于采样时刻t的拟合曲线函数；以(x,t)＝F_x(t)为例，假设m次多项式拟合为：

通过求解系数矩阵B＝[a₀,a₁,…a_n]求解曲线方程F_x(t)，a₀,a₁,…a_n为曲线方程所对应系数矩阵中的系数；根据拟合曲线与历史数据拟合误差σ_i＝F_x(t_i)-x_i,i＝1,2,…m的平方和最小准则有：

公式(3)中，X_i为在不同点X_i处，a_j为常系数；I为拟合的最小相对误差平方和；

根据多元函数求极值可求出使I最小的多项式系数矩阵B，得障碍物在x方向关于采样时刻t的拟合曲线F_x(t)，同理得F_y(t),F_z(t)，进而得到障碍物的三维空间预测轨迹；用于轨迹预测的历史采样点G_n需实时更新，通过不断更新采样数据剔除掉历史冗余数据，使得预测效果接近障碍物的真实运动轨迹；

步骤3：基于无线紫外光通信预广播的防碰撞方法；

通过设置约束条件避免碰撞，控制航向和速度从而预防碰撞的发生；面对可能的碰撞可预设如下约束条件与控制策略：

(1)对遇距离相对距离小于最小阈值R_min的控制策略：若无人机与动态障碍物的相对距离小于最小阈值R_min，则无人机当前航向上增加一个远离障碍物的速度分量；

(2)航线相交的控制策略：若无人机与动态障碍物的相对距离大于最小阈值R_min，但航线即将相交，有可能发生碰撞，此时有两种策略，一种为调整无人机航向，另一种为调节无人机速度；一般情况下，无人机的飞行路径是提前计算好的，当无人机与障碍物航向即将相交时，若无人机距离可能发生碰撞的距离较远，则控制当前速度减小，待障碍物通过该位置时，避免碰撞发生；若无人机距离可能发生碰撞的距离较近，则控制当前速度增大，待无人机通过该位置时，避免碰撞发生。

2.根据权利要求1所述的无人机编队中无线紫外光预警广播防碰撞方法，其特征在于：所述步骤3中，无人机遇到障碍物之后紫外光通信预广播的防碰撞方法的具体步骤如下：

步骤3.1:无人机在飞行过程中，若未检测到障碍物轨迹信息时，无人机首先保持稳定的编队飞行状态；

步骤3.2:运动过程中每架无人机通过无线紫外光通信链路向所有邻居节点广播障碍物下一时刻轨迹信息及本机运动状态信息，接收到广播信息的无人机计算与广播来源障碍物之间的状态是否触发碰撞约束条件；若触发，根据预测的障碍物运动轨迹判断是否可能发生潜在碰撞，若可能则进行步骤3.3，若不可能则继续稳定飞行；

步骤3.3:若无人机与动态障碍物的相对距离小于最小阈值R_min，则无人机当前航向上增加一个远离障碍物的速度分量；若无人机与动态障碍物的相对距离大于最小阈值R_min，但航线即将相交，则进行步骤3.4；

步骤3.4:若无人机距离可能发生碰撞的距离较远，则控制当前速度减小，待障碍物通过该位置时，避免碰撞发生；若无人机距离可能发生碰撞的距离较近，则控制当前速度增大，待无人机通过该位置时，避免碰撞发生。