[发明专利]一种基于分组的多无人机编队控制方法

说明书

本发明公开了一种基于分组的多无人机编队控制方法，包括如下步骤：步骤1：建立无人机集群的通信拓扑结构；步骤2：根据无人机集群的通信拓扑结构将无人机分为虚拟领航者、次级领航者、跟随者三类无人机；步骤3：相邻次级领航者之间直接通信，并采用领航跟随的方法保持飞行编队；步骤4：一个次级领航者与若干个跟随者组成一个小组，小组内以次级领航者为参考点，使用虚拟结构的方法保持飞行编队；步骤5：根据无人机飞行的效率，设计队形的损毁重构策略。本发明能够提高多无人机集群编队的队形精度，以及增强集群系统鲁棒性。

技术领域

本发明涉及无人机编队控制技术领域，具体涉及一种基于分组的多无人机编队控制方法。

背景技术

编队控制是无人机集群保持有序飞行和提高效率的基础，它是指当多个无人机组成的集群系统在向任务目标方向飞行时，通过控制无人机的飞行速度和角度，使无人机组形成特定的几何形状，同时在不同的环境条件下通过构建不同的队形以达到飞行效率最优。编队控制借助无人机的局部交互实现无人机集群系统的群体行为，进而完成全局的队形形成。编队控制在军事方面具有广阔的应用前景。在军事领域中，不同的任务场景下诸如边防区域编队巡逻、资源地理航拍和勘察、敌方军事区域侦察、危险区域救援和空投物资、雷区排雷等军事任务都可以设定不同的编队形态以达到快速完成任务，效率最优。

常规的编队控制方法在面对少量无人机编队时，可以有较好的编队效果，但当无人机的数量增多时，如采用领航跟随法，则会导致无人机出现误差传递，降低了队形精度，且领航跟随法需要较大的通信带宽，在无人机数量增多的情况下，其劣势更加明显，无法保证良好的编队效果。并且在目前的编队方法中，没有考虑单个无人机的损毁对整个编队系统的影响，这个问题是无人机应用中非常常见的，但目前的研究大多并没有考虑到。

发明内容

为了克服传统无人机集群编队方法队形精度低和系统鲁棒性低的缺陷，本发明提供一种基于分组的多无人机编队控制方法，能够提高多无人机集群编队的队形精度，以及增强集群系统鲁棒性。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于分组的多无人机编队控制方法，包括如下步骤：

步骤1：建立无人机集群的通信拓扑结构；

步骤2：根据无人机集群的通信拓扑结构将无人机分为虚拟领航者、次级领航者、跟随者三类无人机；

步骤3：相邻次级领航者之间直接通信，并采用领航跟随的方法保持飞行编队；

步骤4：一个次级领航者与若干个跟随者组成一个小组，小组内以次级领航者为参考点，使用虚拟结构的方法保持飞行编队；

步骤5：根据无人机飞行的效率，设计队形的损毁重构策略。

进一步的，假设有1个虚拟领航者V₀，m个次级领航者(V₁,...,V_m)，每个次级领航者和其n个跟随者组成一个小组；其中虚拟领航者只和一个次级领航者直接通信，次级领航者之间的通信拓扑结构是无向图，次级领航者与小组内跟随者的通信拓扑结构为有向图，相邻跟随者之间直接通信。

进一步的，小组内次级领航者和其n个跟随者采用虚拟结构的编队策略，在编队队形中，次级领航者作为编队的参考点，根据其参考坐标和跟随者个数产生各个跟随者的期望坐标，跟随者去追踪期望坐标，而后跟随者再与所属次级领航者保持固定的角度和距离，以相同的速度以及偏航角航行。

进一步的，虚拟结构所使用的坐标系和领航-跟随使用的坐标系均采用相同惯性坐标系：

虚拟结构中各虚拟点的坐标由下式生成：

其中是跟随者，U^Li是的次级领航者，R为编队距离，是偏置项，不同的值可以生成不同的队形。