一種無人機(jī)密集自主編隊的隊形變換方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于無人機(jī)密集自主編隊的隊形變換方法，屬于飛行控制【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明設(shè)計了基于透光性假說的LMPC編隊控制器，能在無人機(jī)密集編隊的間距小于所設(shè)定的安全距離時有效地起到防碰撞作用；本發(fā)明提出的基于隊形狀態(tài)的密集編隊的隊形變換方法，解決了某些無人機(jī)在達(dá)成期望值的過程中容易與其它無人機(jī)發(fā)生沖突的問題，尤其是在密集編隊間距較小的情形，即把容易沖突的因素直接變換分解為若干不易沖突的子變換來減弱隊形變換的不穩(wěn)定因素。在密集編隊隊形的各種改變下，有效的防止了編隊隊形中無人機(jī)的碰撞問題，這對于無人機(jī)在密集自主編隊的隊形變換方面具有實際工程意義。
【專利說明】一種無人機(jī)密集自主編隊的隊形變換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明首次提出一種無人機(jī)密集自主編隊的隊形變換方法，屬于飛行控制【技術(shù)領(lǐng)域】。具體涉及一種適用于無人機(jī)密集自主編隊的兼顧整體利益和避碰能力的隊形變換方法。
【背景技術(shù)】
[0002]利用地形地貌掩護(hù)，在狹長的安全通道中以扁平的密集編隊形式飛抵任務(wù)區(qū)，是高密集度無人機(jī)編隊的主要工作樣式之一，此時在這種扁平的密集編隊中無人機(jī)之間、無人機(jī)與障礙之間發(fā)生碰撞的概率增大。為了滿足任務(wù)要求和地形地貌的跟隨需要，密集編隊必須適時地變換隊形，而扁平的密集編隊形式相當(dāng)于整個編隊在垂直方向幾乎沒有避碰機(jī)動的自由空間，整個編隊只能在水平方向進(jìn)行避碰機(jī)動，這相當(dāng)于在縱向是無限密集的，沒有避碰機(jī)動的自由空間的，是不能通過調(diào)整飛行高度的方法進(jìn)行避碰機(jī)動的，因此在二維水平面內(nèi)密集編隊的隊形變換和避碰問題是最為復(fù)雜的基礎(chǔ)性問題，這對編隊控制器性能提出了很高的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供一種無人機(jī)密集自主編隊的隊形變換方法，所述隊形變換方法中，編隊隊形的改變方式至少包括隊形的保持、重構(gòu)、拆分和變換，它們之間既有聯(lián)系又有著細(xì)微的差別，下面分別給出相關(guān)的定義。
[0004]定義1:隊形拆分，是根據(jù)具體需求把幾何構(gòu)型和組織結(jié)構(gòu)上作為一個整體的大編隊分解為若干個規(guī)模較小的子編隊，進(jìn)而分別執(zhí)行各小編隊具體上層任務(wù)的過程。在拆分中，小編隊基本保留了其在原來大編隊中的幾何構(gòu)型；
[0005]定義2:隊形重構(gòu)，是指編隊中某一無人機(jī)受損或故障離隊后對編隊進(jìn)行的幾何構(gòu)型和組織結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整過程，往往所涉及的調(diào)整范圍和無人機(jī)數(shù)量均較少。
[0006]定義3:隊形保持，是指在編隊飛行過程中維持編隊的幾何形狀基本不變，或者說使編隊在發(fā)生一定限度內(nèi)的隊形形變或無人機(jī)之間關(guān)系異常后能夠復(fù)原。隊形保持是現(xiàn)階段研究較多的一個課題，例如，基于PID的編隊控制器和基于MPC的編隊控制器實際上都屬于一種編隊隊形保持控制器，它們的直接作用效果是使無人機(jī)與其參考位置趨于一致，在各無人機(jī)與其參考位置存在偏差的時候，編隊隊形保持控制器通過某種控制方法來糾正這個偏差，比如在編隊機(jī)動的過程中維持編隊的幾何構(gòu)形或在編隊進(jìn)行避障行為后重新恢復(fù)原編隊隊形；
[0007]定義4:隊形變換，是指編隊出于某種需要主動地從一種隊形切換到另一種隊形的過程，往往涉及到的無人機(jī)數(shù)量較多，隊形變換前后差別較大。
[0008]本發(fā)明提供了一種無人機(jī)密集自主編隊的隊形變換方法，所述方法包括如下步驟:
[0009]第一步，建立透光性生成協(xié)議。[0010]本發(fā)明通過對鳥群密度的分布特點進(jìn)行分析，得出鳥群密度、碰撞威脅感、自由空間三者的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而提出基于仿生的密集群體防碰撞機(jī)理的透光性假說。對于飛行器編隊來說，透光性的大小可以通過獲得自由空間的可能性大小來衡量，本發(fā)明用自由空間類比“光”，用透光系數(shù)來表征透光性，用透光系數(shù)的生成過程來模仿透光的過程，進(jìn)而提出了透光性生成協(xié)議，計算表征編隊中各節(jié)點透光性的透光系數(shù)。
[0011]第二步，建立LMPC編隊控制器；
[0012]把編隊中節(jié)點ε i的編隊控制系統(tǒng)由雙節(jié)點(ε i與領(lǐng)航點)運(yùn)動預(yù)測模型擴(kuò)展成包含所有近鄰(ε 1與叭ε ” kmax -ds))的局部運(yùn)動預(yù)測模型，基于該局部運(yùn)動預(yù)測模型的控制方法即網(wǎng)絡(luò)化自主編隊的局部模型預(yù)測控制器(LMPC編隊控制器)。參照動物行為按照相距其它同類的距離劃分為排斥區(qū)、保持區(qū)和吸引區(qū)的做法，把在線優(yōu)化的代價函數(shù)的權(quán)重ω Ij設(shè)計為節(jié)點ε j和每個近鄰節(jié)點ε」相對距離(Iij的函數(shù)OijZf ((Iij),威脅認(rèn)定間距kmin.ds和近鄰認(rèn)定間距kmax.ds為f安排節(jié)點ε i周圍的排斥區(qū)、保持區(qū)和吸引區(qū)的參數(shù)。對于領(lǐng)航點ε L,它對跟隨節(jié)點沒有反向跟隨的義務(wù)，即領(lǐng)航點是“自私的”。對于跟隨節(jié)點Si，其與領(lǐng)航點4的權(quán)重存在一個最小值，這個最小值與其它節(jié)點相互間正常情況下的權(quán)重最大值相當(dāng)，即對ε ^表現(xiàn)出“信任”，這樣能保證對q的跟隨效果。權(quán)重決策之后，節(jié)點ε 1通過在線解一個線性不等式約束條件下的二次規(guī)劃(Quadratic programming, QP)問題得到LMPC的最優(yōu)控制量Ui作為指令作用于內(nèi)環(huán)飛行控制系統(tǒng)。
[0013]第三步，將LMPC編隊控制器與透光系數(shù)相結(jié)合，給出碰撞規(guī)避算法。
[0014]為了使節(jié)點Si具有顧及整體利益的能力，將LMPC編隊控制器和透光系數(shù)相結(jié)合，給出令節(jié)點Si遵循透光性假說的原理進(jìn)行規(guī)避行為的一個實現(xiàn)算法(透光規(guī)避算法)，原理即判斷碰撞威脅程度是否達(dá)到閾值，達(dá)到閾值后對于有自由空間的節(jié)點，間距指令向其自由空間張角 對角線方向增大一個閾值；對于沒有自由空間的節(jié)點，應(yīng)用透光系數(shù)最大的近鄰節(jié)點的間距指令。當(dāng)碰撞威脅程度降到閾值以下時恢復(fù)原指令。
[0015]第四步:基于隊形狀態(tài)的編隊隊形變換方法；
[0016]編隊隊形可以用各無人機(jī)相對領(lǐng)航點的位置矩陣F來描述，從初始隊形F1到目標(biāo)隊形Fr的變換過程中，如果存在盡可能少的一系列子隊形Fi,使得從F(i_D到匕的直接變換過程中各無人機(jī)產(chǎn)生碰撞的概率小于特定閾值，則稱F = (F1, F^FJ是從F1到Fr的一個隊形狀態(tài)轉(zhuǎn)移變換。當(dāng)編隊處于某一隊形狀態(tài)時，如果編隊指標(biāo)小于預(yù)設(shè)值時則觸發(fā)下一狀態(tài)的子變換。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0018]根據(jù)本發(fā)明所提出的基于隊形狀態(tài)的編隊隊形變換方法，可以有效降低編隊隊形變換過程中的碰撞概率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1:本發(fā)明提供的基于隊形狀態(tài)的編隊隊形變換流程圖；
[0020]圖2:傳統(tǒng)跟隨與近鄰跟隨模式的相互作用區(qū)別；
[0021]圖3:編隊初始隊形與目標(biāo)隊形位置坐標(biāo)圖；
[0022]圖4:正六邊形編隊到直線編隊的隊形變換狀態(tài)；
[0023]圖5:基于隊形狀態(tài)的編隊隊形變換方法仿真；[0024]圖6:隊形狀態(tài)變換中無人機(jī)4與其它無人機(jī)的距離；
[0025]圖7:隊形狀態(tài)變換中無人機(jī)I與其它無人機(jī)的距離；
[0026]圖8:隊形狀態(tài)變換中無人機(jī)7與其它無人機(jī)的距離。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0028]本發(fā)明提供的無人機(jī)密集自主編隊的隊形變換方法，所述方法包括如下步驟:
[0029]第一步，建立密集群體防碰撞機(jī)理的透光性假說一透光性生成協(xié)議；
[0030]對于飛行器編隊來說，透光性的大小可以通過獲得自由空間的可能性大小來衡量，本發(fā)明用自由空間類比“光”，用透光系數(shù)C來表征透光性，用透光系數(shù)的生成過程來模仿透光的過程。具體地說，密集編隊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以用圖G= (Ε, ε)來表示，E為邊集；ε為節(jié)點集；Clij則表示節(jié)點集內(nèi)節(jié)點Si與節(jié)點％_的距離；節(jié)點的近鄰節(jié)點的集合SNbi, kmax.ds)，即滿足任取 SjeNbi, kmax.ds)，有 di」(kmax.ds, kmax 為間距的近鄰認(rèn)定調(diào)整系數(shù)，ds為安全距離(一般密集編隊kmax e (1，1.5]);圖G的邊界點的集合為B(G, kmax-ds),連接認(rèn)定距離取為kmax-ds。顯然,在密集編隊中當(dāng)節(jié)點SiGB(Gjmax-Cls)時具有較多的自由空間，而節(jié)點& mC, k職—.ds)時幾乎沒有自由空間，設(shè)ε i在二維平面內(nèi)自由空間張角為 A ( ε J = Z ε ^ ε i ε η，其中 ε ε η e Ν( ε i； kmax.ds)，且 ε ^ 與 ε η 到A(Si)對角線的距離( 即從ε m，ε n向所述對角線做垂直線所得到的垂線段的長度)都大于kmin ^dskmin為間距的威脅認(rèn)定調(diào)整系數(shù)。ε 透光性可以理解為透光概率，即^落入自由空間的概率，設(shè)為P{eJ，而二維平面內(nèi)^的自由空間或“光”在[0，2π]上服從均勻分布，則可定義當(dāng)ε i e B(G,kmax*ds)時，節(jié)點ε ,的透光系數(shù)C{ ε J為節(jié)點ε ,的透光概率，即，
【權(quán)利要求】
1.一種無人機(jī)密集自主編隊的隊形變換方法，其特征在于:所述對形變換方法包括如下步驟，第一步，建立透光性生成協(xié)議； 表征編隊中節(jié)點ε i透光性的透光系數(shù)為:
【文檔編號】G05D1/00GK103941728SQ201410169632
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】吳森堂, 吳鐘博, 賈翔, 杜陽 申請人:北京航空航天大學(xué)