[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

本發明是一種多無人機協同編隊避障的控制算法，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。該算法具有可操作性、簡單性，可實現多架無人機協同編隊并更靈活地躲避障礙物，對現實多協同作戰有十分重要的意義。

技術領域

本發明屬于無人機控制技術領域，具體涉及一種多無人機協同編隊避障的控制算法。

背景技術

無人機在空域監視、輻射監測、目標定位和跟蹤等自主執行復雜的軍事和民用方面有著良好的表現和明顯的優勢。多無人機編隊更是有高任務執行成功率的優點，主要表現在：(1)大視野偵查，高精度定位，多角度成像；(2)可提高任務執行成功率和整體命中率；(3)續航時間延長，減小整體飛行阻力。

在執行任務時，無人機編隊的實際飛行空域中可能會存在建筑物、山峰、鳥群等障礙物，這些障礙物的存在將威脅無人機的飛行安全。除了障礙物之外，編隊中的每架無人機還要避免與其他無人機發生碰撞。

目前，多無人機編隊的飛行路徑大多采用模型預測控制算法實現。相對成熟且比較通用的編隊算法主要包括長機-僚機法、人工勢場法、基于行為法和虛擬結構法。然而，當遇到障礙物時，現有的控制算法無法控制多無人機之間既保持良好的隊形約束又能靈活的躲避障礙物，容易造成無人機之間的通訊中斷，導致指定任務無法完成。

發明內容

本發明針對上述現有技術的不足，提供一種多無人機協同編隊避障的控制算法，實現了對多架無人機的協同編隊避障控制，并允許多無人機以編隊隊形更加靈活地躲避障礙物。

本發明所要解決的技術問題是通過以下技術方案來實現的。本發明是一種多無人機協同編隊避障的控制算法，其特點是，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，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，