[发明专利]一种分布式的固定翼无人机覆盖控制方法

说明书

本发明公开了一种分布式的固定翼无人机覆盖控制方法，先给定固定翼无人机执行覆盖任务的区域，且每架无人机仅能获取通信范围内邻居的状态信息；接着使用unicycle模型对无人机进行建模，并通过邻居状态获取每架无人机的覆盖区域，然后在覆盖区域内寻找无人机满足避撞约束的飞行轨迹，最后按照飞行轨迹驱动各人机的虚拟中心到达最优覆盖位置。

技术领域

本发明属于无人机控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种分布式的固定翼无人机覆盖控制方法。

背景技术

覆盖控制是指多智能体系统根据传感器模型与待覆盖环境内需感知信息的分布状态，合理有效地为每个智能体分配互不重叠的监测子区域，并为每个智能体规划路径，驱动其移动到各自的最优部署位置。覆盖控制被广泛应用于被困人员搜救、森林火灾、海洋原油泄漏的监测等任务。在这类应用中，相较于无人车和旋翼无人机，固定翼无人机具有良好的高空视野，优秀的续航和载荷能力，可以配备一系列不同的传感器以适应不同任务的要求，是一个合适的载体选择。

目前，关于多智能体覆盖控制的工作主要集中在积分型动力学模型上，研究者们提出了维诺划分、概率模型、人工势场等方法，设计合适的控制律，以驱动智能体完成覆盖任务。

然而，很少有研究者关注具有复杂动力学的多智能体覆盖控制问题，很多类型的智能体，例如固定翼无人机，无法直接使用积分型动力学模型进行建模。除此之外，无人机集群如何规划轨迹，避免碰撞，以安全的完成覆盖任务，也是必须考虑的问题，现有的基于人工势场函数的避撞算法难以推广到复杂的动力学模型，不适用于固定翼无人机。随着无人机集群规模的不断增大，集中式的算法会为中央处理器带来巨大的计算负担，因此，研究者们倾向于设计分布式的覆盖算法，以提高算法的计算速度和鲁棒性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种分布式的固定翼无人机覆盖控制方法，在保证无人机安全无碰撞的前提下，实现对目标区域的最优覆盖。

为实现上述发明目的，本发明一种分布式的固定翼无人机覆盖控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)、假设n个固定翼无人机在区域Q执行覆盖任务，q∈Q是任务区域内的任意位置；Φ(q)是密度函数，表示无人机集群对位置q的感兴趣程度；r_k表示无人机k的位置；将与无人机k距离小于R的无人机记为邻居，用集合表示，无人机只能与邻居进行通信；

(2)、使用unicycle模型对无人机进行建模：

其中，r_k(t)表示无人机k在t时刻的位置，r_k(t)＝x_k(t)+iy_k(t)，x_k(t)是实部表示无人机k在t时刻的横坐标值，y_k(t)是虚部表示无人机k在t时刻的纵坐标值，v_k表示无人机的速度大小，θ_k(t)表示无人机k在t时刻的速度方向，表示无人机k在t时刻的角速度，u_k(t)表示无人机k在t时刻的控制输入；

假设无人机k以固定的航速v_k飞行，考虑无人机实际的体积，将无人机k建模为半径为c_k的圆；

(3)、在t时刻，基于各无人机的位置计算各个无人机的虚拟中心，其中，无人机k的虚拟中心记为z_k(t)；

其中，ω₀是一个非零常数；

(4)、在t时刻，基于各无人机的虚拟中心搭建动力学模型，无人机k的动力学模型记为

(5)、驱动各无人机的虚拟中心到达最优覆盖位置；