[发明专利]一种基于雁群自组织飞行的无人机自主编队控制方法

摘要

本发明是一种基于雁群自组织飞行的无人机自主编队控制方法，其实现步骤为：步骤一：初始化；步骤二：确定长机；步骤三：确定各僚机的引导机；步骤四：确定引导机相对各僚机的期望位置；步骤五：防撞；步骤六：生成无人机自驾仪控制输入指令；步骤七：将自驾仪控制输入指令输入无人机模型；步骤八：判断是否结束仿真；该方法旨在提供一种分布式的无人机自主编队控制方法，在提高无人机机群鲁棒性和适应性的同时，降低无人机单机计算和通信负载，从而有效提高无人机自主能力水平。

主权项

一种基于雁群自组织飞行的无人机自主编队控制方法，其特征在于：该方法具体实现步骤如下：步骤一：初始化随机生成n架无人机的初始飞行状态，包括空间位置(Xi,Yi,hi)、水平速度Vi，航向角ψi以及高度变化率ζi，其中i为无人机的编号；设定当前仿真时间t＝0；步骤二：确定长机将n架无人机组成的机群视为一个雁群，其中每架无人机为雁群中的一个个体，飞行状态不受其他无人机影响的长机为雁群中的头雁；当前空间位置位于雁群最前方的个体，视为该雁群的头雁；当存在多个个体位于雁群最前方时，这些个体中空间位置位于雁群最左边的个体，视为该雁群的头雁；即当且仅当不存在无人机j满足Xj≥Xi且Yj≥Yi时，有NumL＝i，其中NumL为长机对应的无人机编号，X为无人机在地面坐标系下的横轴坐标，Y为无人机在地面坐标系下的纵轴坐标，i为无人机的编号；步骤三：确定各僚机的引导机将僚机视为从雁，并将僚机对应的引导机视为前雁，其中除长机外机群中的其余无人机均为僚机，影响某一僚机飞行状态的无人机为该僚机的引导机，引导机可为长机，也可为僚机；每个从雁选择当前位于前方且水平面上相距最近的个体作为前雁；前方若无个体时，从雁选择当前与自身并排的个体中，在水平面上相距最近的个体作为前雁；若可选择的前雁不唯一时，从雁选择编号最小的个体作为前雁；即当且仅当不存在无人机j'满足Xj'≥Xi且Rij'＜Rij时或满足Xj'≥Xi，Rij'＝Rij且j'＜j时，有其中为僚机i和无人机j间的水平距离，为僚机i对应的引导机的编号；步骤四：确定引导机相对各僚机的期望位置当某一从雁的当前空间位置位于头雁右侧时，该从雁会选择飞向其对应前雁的右侧期望位置，反之该从雁会选择飞向其对应前雁的左侧期望位置；前雁相对于对应从雁的期望位置即为引导机相对于僚机的期望位置；即当时，有当时，有其中和分别为引导机相对于僚机i的前向期望位置和侧向期望位置，xexp和yexp分别为前向期望距离和侧向期望距离；步骤五：防撞当任两架无人机的当前位置不满足安全条件时，为防止碰撞，位于下方的无人机将下降一段指定距离；即当|x|≤xmin，|y|≤ymin，|z|≤zmin且z＜0时，若i＝NumL，则有若i≠NumL，则有否则若i＝NumL，则有若i≠NumL，则有其中，(x,y,z)是某架无人机在无人机i旋转坐标系下的位置，该旋转坐标系的原点O位于无人机i的中心，x轴与Vi一致，z轴沿垂直方向，y轴垂直于Oxz平面；为长机高度保持自驾仪的控制输入，hc为防撞控制距离，为引导机相对于僚机i的垂向期望位置，xmin、ymin和zmin分别为前向安全距离、侧向安全距离和垂向安全距离，h为无人机飞行高度；步骤六：生成无人机自驾仪控制输入指令长机速度保持自驾仪控制输入和航向保持自驾仪控制输入分别为上一采样时刻的对应状态，即僚机的速度保持自驾仪控制输入VWc、航向保持自驾仪控制输入ψWc以及高度保持自驾仪控制输入hWc可描述为：VWc=kxpex+kxI∫0texdt+kxDdexdtψWc=kypey+kyI∫0teydt+kyDdeydthWc=kzpez+kzI∫0tezdt+kzDdezdt---(1)]]>其中和分别是x、y和z通道的PID控制参数，为x通道的误差，为y通道的误差，为z通道的误差，kx、kV、ky、kψ和kz分别为前向误差、速度误差、侧向误差、航向误差以及高度误差的控制增益；步骤七：将自驾仪控制输入指令输入无人机模型若无人机i为长机，将和输入下式所描述的长机模型，得到下一仿真时间的无人机状态：X·i=VicosψiY·i=Visinψih·i=ζiV·i=-1τVVi+1τVVLCψ·i=-1τψψi+1τψψLCζ·i=-(1τa+1τb)ζi-1τaτbhi+1τaτbhLC---(2)]]>其中τV、τψ和(τa,τb)分别为速度保持自驾仪、航向保持自驾仪以及高度保持自驾仪的时间常数；若无人机i为僚机，将和输入下式所描述的僚机模型，得到下一仿真时间的无人机状态：x·=-y‾iτψψi-Vi+VNleadi+y‾iτψψWC+y‾iq‾SmVi[ΔCYWyy+ΔCYWzz]y·=(x‾τψ-Vi)ψi+Viψi-x‾iτψψWC-x‾iq‾SmVi[ΔCYWyy+ΔCYWzz]z·=ζiV·i=-1τVVi+1τVVWC+q‾SmΔCDWyyψ·i=-1τψψi+1τψψWC+q‾SmVi[ΔCYWyy+ΔCYWzz]ζ·i=-(1τa+1τb)ζi-1τaτbz+1τaτbhWC-1τaτbhL′C+q‾SmΔCLWyy---(3)]]>其中是无人机的高度保持自驾仪的控制输入，是平均动压，S是翼面积，m是毛重，以及分别是阻力、侧力和升力变化的稳定性导数；步骤八：判断是否结束仿真仿真时间t＝t+ts，其中ts为采样时间；若t大于最大仿真运行时间Tmax，则仿真结束并绘制无人机机群飞行轨迹和状态曲线；否则，返回步骤二。