[發明專利]一種多無人機協同編隊避障的控制算法

有效

• 申請號: 201810503663.3
• 申請日: 2018-05-23
• 公開（公告）號: CN108549407B
• 公開（公告）日: 2020-11-13
• 發明（設計）人: 王曉麗;林倩玉;王喆;蓋淑瑩;王玉彤;姜珊
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（威海）
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 威海恒譽潤達專利代理事務所(普通合伙) 37260
• 代理人: 鹿剛

1.一種多無人機協同編隊避障的控制算法，其特征在于，包括如下步驟：

(一)在無人機編隊執行飛行任務時，通過機載傳感器檢測無人機和空域障礙物的位置、速度信息，并將處于飛行空間內的障礙物抽象成球體；

(二)根據各無人機的位置信息構建無人機編隊通信拓撲，并采用分布式傳輸方式實現編隊中的鄰居無人機之間的信息交互；

(三)建立無人機動力學模型；

(四)當檢測到障礙物時，確定無人機避障的安全距離，并判斷無人機編隊中任意無人機與障礙物之間的間距是否符合安全距離的要求，若不符合，則通過虛擬力策略調整編隊隊形并進行避障，所述的虛擬力策略包括如下步驟：

(1)對無人機編隊進行受力分析，包括求解各無人機受到所述編隊中的其他無人機的作用力、目標點對所述編隊中的各無人機產生的引力，以及障礙物對所述編隊中的各無人機產生的斥力；

(2)計算出各無人機受到的合力；

(3)定義速度目標量，并計算出各無人機在地面坐標三維方向上的期望速度；

(4)將各無人機在各方向上的期望速度轉化成各無人機的目標飛行控制指令；

(5)通過輸入各無人機的目標飛行控制指令調整各無人機飛行狀態以保持無人機編隊隊形并改變無人機編隊的飛行航跡進行避障；

所述通信拓撲結構定義為其中，為有限非空節點；表示編隊中各無人機；為節點之間邊的集合，表示無人機之間的信息傳遞狀態；表示連接權重矩陣，ν_i的鄰居的集合為

將經典引力勢場函數改進為：

其中，ρ_it＝||P_t-P_i||表示無人機i與目標點t之間的空間距離，P_t(x_t,y_t,z_t)為目標點t在地面坐標系下的三維空間位置，||·||表示L₂范數，k₃是引力勢場的正比例增益系數；

所述各無人機受到所述編隊中的其他無人機的作用力為：

其中，k₁和k₂分別是控制編隊隊形和控制編隊飛行速度協同的正常數，P_i(x_i,y_i,z_i)和P_j(x_j,y_j,z_j)分別為無人機i、j在地面坐標系下的三維空間位置，r_ij表示設定的無人機i與j之間的空間距離，V_i和V_j分別表示無人機i、j的飛行速度，a_ij表示從無人機節點i到無人機節點j的連接權重，如果有信息從ν_j傳遞到ν_i，那么ν_j是ν_i的鄰居無人機，此時a_ij＝1，否則a_ij＝0；

所述目標點對所述編隊中的各無人機產生的引力為：

其中，為公式(6)所示：

其中，k₃是引力勢場的正比例增益系數，P_t(x_t,y_t,z_t)為目標點在地面坐標系下的三維空間位置，ρ_it＝||P_t-P_i||表示無人機i與目標點t之間的空間距離，||·||代表L₂范數；

所述障礙物對所述編隊中的各無人機產生的斥力為：

其中，k₄是斥力勢場的正比例增益系數，c是可調節的控制參數，ρ_io表示無人機i與障礙物之間的距離，ρ_iomin表示無人機與障礙物之間的最小安全距離，P_o(x_o,y_o,z_o)為障礙物在地面坐標系下的三維空間位置；

所述的各無人機受到的合力等于編隊中其他無人機產生的作用力、目標點產生的引力和障礙物產生的斥力的合力，如式(11)所示：

其中，無人機避障的安全距離如式(7)所示：

其中，R_o和R_i分別為障礙物半徑和無人機自身半徑，δ表示由信息不確定性所需具備的安全距離，η表示無人機的飛行速度方向與無人機中心和障礙物中心的連線之間的夾角，k_v和k_η分別為調整相對速度和夾角的控制參數，表示無人機與障礙物的相對運動速度，V_i(t)和V_o(t)分別表示無人機和移動障礙物在t時刻的速度，當障礙物靜止時，