一種仿鳥群行為和虛擬結(jié)構(gòu)的無人機編隊控制方法
【專利說明】一種仿鳥群行為和虛擬結(jié)構(gòu)的無人機編隊控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種仿鳥群行為和虛擬結(jié)構(gòu)的無人機編隊控制方法，屬于控制技術(shù)領(lǐng) 域。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 無人機是一種由動力驅(qū)動、可重復(fù)使用、機上無人駕駛的飛行器。與有人飛機相 比，由于具有高機動、低成本和"零人員傷亡"等一系列特點，在高危戰(zhàn)場環(huán)境執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù) 時，無人機相比于有人機能夠體現(xiàn)出更巨大的優(yōu)勢。目前，無人機已被廣泛應(yīng)用于情報偵 察、目標(biāo)搜索跟蹤以及對地目標(biāo)攻擊等各種作戰(zhàn)任務(wù)中，并在其中發(fā)揮了重大的作用。
[0003] 無人機編隊飛行，就是將多架無人機按照一定的隊形進行排列，并使其在整個飛 行過程中保持隊形不變。機群中的所有飛機都要在執(zhí)行任務(wù)時根據(jù)面臨的具體情況來分擔(dān) 各自的任務(wù)。無人機編隊控制由于其存在通信時延，編隊氣動耦合，使得控制問題復(fù)雜，且 需要控制精度較高，歷來是無人機控制研究中的難點。飛機起飛過程包括滑跑、前輪抬起和 空中飛行。其中以滑跑階段和前輪抬起階段的控制難度最大。對于一般的控制方法，需要事 先調(diào)整數(shù)量巨大的控制參數(shù)，并在控制過程中頻繁地切換參數(shù)，控制器設(shè)計任務(wù)十分繁重。
[0004] 自然界中，大雁等候鳥群時常在天空結(jié)隊而行，經(jīng)生物學(xué)及仿生學(xué)研究，候鳥群以 特殊幾何隊形飛行可以充分利用特殊隊形帶來的動力學(xué)優(yōu)勢。在編隊飛行中，由于領(lǐng)頭鳥 與跟隨者的特殊隊形，增加了跟隨鳥所受升力，可以節(jié)省飛行體力，有利于鳥類在迀徙過程 中使鳥群以耗時最短和能量消耗最少的預(yù)期迀徙路徑飛行。編隊飛行有利于群鳥之間的信 息交互，提高導(dǎo)航能力，有利于鳥群在棲息和捕食后迅速恢復(fù)隊形以及提高幼鳥對迀徙路 徑的學(xué)習(xí)和記憶。采用基于鳥群行為的無人機編隊位置控制，可以提高無人機的升力，減小 阻力。鳥群行為編隊的實現(xiàn)原理如圖1所示。
[0005] 虛擬結(jié)構(gòu)方法是指虛擬結(jié)構(gòu)模型含有與編隊里每架實際無人機相對應(yīng)的虛擬個 體，虛擬個體的狀態(tài)即為實際無人機的期望狀態(tài)。這種方法將整個無人機編隊看做一個虛 擬的剛體，編隊內(nèi)的各無人機間的相互位置關(guān)系保持相對靜止，各無人機的目標(biāo)航路點由 其在編隊中的相對位置和整個虛擬剛體的移動情況決定，以此實現(xiàn)編隊隊形的保持。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0006] 1、發(fā)明目的：
[0007] 本發(fā)明的目的是提供一種仿鳥群行為和虛擬結(jié)構(gòu)的無人機編隊控制方法，它是一 種設(shè)計簡單并且控制精度較高的無人機編隊控制解決方法。此方法也可移植于其它復(fù)雜的 編隊控制律設(shè)計問題。
[0008] 仿鳥群行為和虛擬結(jié)構(gòu)的無人機編隊控制方法利用鳥群行為求取編隊控制輸入， 將無人機狀態(tài)平穩(wěn)地轉(zhuǎn)移至目標(biāo)狀態(tài)，從而保證整個編隊控制過程中每個無人機的穩(wěn)定 性。仿鳥群行為和虛擬結(jié)構(gòu)的無人機編隊控制方法降低了無人機編隊控制的工作難度，并 且提高編隊飛行的魯棒性。
[0009] 2、技術(shù)方案：
[0010] 本發(fā)明提出一種仿鳥群行為和虛擬結(jié)構(gòu)的無人機編隊控制方法，其具體思路是將 鳥群編隊結(jié)構(gòu)映射至無人機編隊結(jié)構(gòu)中，構(gòu)建無人機編隊最優(yōu)的編隊位置，通過虛擬結(jié)構(gòu) 模型計算所需要的控制指令，隨后接收到編隊控制指令的無人機控制單元再將無人機控制 到指定位置，仿鳥群行為和虛擬結(jié)構(gòu)的無人機編隊控制方法的具體步驟如下：
[0011] 步驟一:建立無人機編隊數(shù)學(xué)模型
[0012] 本方法中的無人機模型如下式所示：
[0014] 公式中，為表示第i架無人機在水平面X軸上的速度分量;V1表示第i架無人機的飛 行速度大小表示第i架無人機的偏航角；表示第i架無人機在水平面y軸上的速度分 量，h表示第i架無人機的偏航角速度，W i表示第i架無人機的偏航角變化率，7Znm;表示第i 架無人機的最大轉(zhuǎn)彎角速度。
[0015] 步驟二:通過鳥群行為確定編隊控制位置
[0016] 對鳥類編隊飛行所利用的空氣動力學(xué)優(yōu)勢進行詳細分析可以得知:鳥類編隊飛行 利用了編隊飛行中相互產(chǎn)生的上洗氣流，飛行時鳥翼下方氣流發(fā)生變化形成細長渦流，在 尾渦外側(cè)產(chǎn)生上洗流，其內(nèi)側(cè)產(chǎn)生下洗流;尾隨的鳥與前方鳥保持一定范圍內(nèi)橫側(cè)向距離 飛行時，可利用上洗流產(chǎn)生的升力節(jié)省自身飛行的能耗，即某一尾隨鳥可獲得的額外升力 取決于與其相鄰的斜前方鳥的橫側(cè)向距離。設(shè)定最佳的橫側(cè)向間距即最優(yōu)翼間距為R=b/2 Ub/4-l)，其中b為翼展，當(dāng)以此間距編隊飛行時，可以獲得來自尾旋上洗氣流的最大升力。
[0017] 步驟三:建立無人機編隊虛擬結(jié)構(gòu)
[0018] 虛擬結(jié)構(gòu)方法要求編隊控制算法是分散的，因此給每個無人機定義一個局部的 (即當(dāng)?shù)氐?編隊虛擬結(jié)構(gòu)，稱為局部虛擬結(jié)構(gòu)。編隊控制算法通過無人機間的通信協(xié)調(diào)，使 所有的局部虛擬結(jié)構(gòu)逐漸趨于一致。第i個無人機的局部虛擬結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模型定義如下：
[0020]其中，& ,匕，，4.:??，V/V (?.;，隨時間的微分。
[0021 ] 4 ei?2為虛擬結(jié)構(gòu)的位置；
[0022] Vf: €Ξ/?2為虛擬結(jié)構(gòu)的速度；
[0023] % G Z?1為虛擬結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)角度；
[0024] Wr G &為虛擬結(jié)構(gòu)的角速度；
[0025] HF, Jf分別為虛擬結(jié)構(gòu)的虛擬轉(zhuǎn)動質(zhì)量和虛擬轉(zhuǎn)動慣量；
[0026] I2為無人機轉(zhuǎn)動慣量；
[0027] G穴2為施加在虛擬結(jié)構(gòu)上的虛擬力；
[0028] ei?1為施加在虛擬結(jié)構(gòu)上的虛擬力矩；
[0029]步驟四：通過鳥群行為和虛擬結(jié)構(gòu)混合方法求取編隊控制輸入
[0030]將鳥群行為編隊中的最優(yōu)翼間距編隊位置代入虛擬結(jié)構(gòu)中無人機的編隊位置 =! = 5/2(貧d/4-中，將參數(shù)％ ，Wpj ,郵，>，12，設(shè)定為固定的常數(shù)， 根據(jù)公式(2)求取虛擬結(jié)構(gòu)上的虛擬力和虛擬力矩。
[0031] 步驟五:利用鳥群行為和虛擬結(jié)構(gòu)混合方法進行編隊控制
[0032] 基于鳥群行為和虛擬結(jié)構(gòu)混合方法整體流程如圖2所示，將無人機群體定義為一 個虛擬結(jié)構(gòu)。首先，利用初始化的無人機偏轉(zhuǎn)角度θ〇,角速度WO和速度VO，確定參數(shù) 。然后，根據(jù)無人機物理參數(shù)確定郵，>，12。接著，根 據(jù)公式(2)計算出無人機群體(即虛擬結(jié)構(gòu))在飛行中受到的作用力和力矩.&，，反解 出每個無人機所需的控制輸入量Vi= ,//彳//W1,..，U，i= τ/\: /'4。最后，將控制輸入量Vi和Wi作 用在無人機模型（由公式（1)表示)上，根據(jù)公式（1)中的無人機模型計算無人機新的速度和 偏航角，更新無人機當(dāng)前的位置。
[0033] 3、優(yōu)點及效果：
[0034]本發(fā)明設(shè)計了一種仿鳥群行為和虛擬結(jié)構(gòu)的無人機編隊控制方法，該方法充分利 用了鳥群行為機制和虛擬結(jié)構(gòu)方法在編隊控制律設(shè)計中的簡潔性、普適性，提供一種無人 機在編隊狀態(tài)下的精確控制的有效途徑，從而保證了無人機在編隊狀態(tài)下控制的連續(xù)與穩(wěn) 定。該方法也可移植并應(yīng)用于其它控制系統(tǒng)設(shè)計以及復(fù)雜的編隊控制問題中。 【【附圖說明】】
[0035]圖1鳥群編隊實現(xiàn)原理示意圖。
[0036]圖2基于鳥群行為和虛擬結(jié)構(gòu)混合方法整體流程圖。
[0037]圖3基于鳥群行為和虛擬結(jié)構(gòu)混合方法無人機編隊結(jié)果圖。
[0038]圖中標(biāo)號及符號說明如下：
[0039] R一一最優(yōu)翼間距
[0040] b--翼展
[0041] N一一不滿足條件(否）
[0042] Y一一滿足條件(是）
[0043] j 無人機編號
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