[發(fā)明專利]一種基于偽分布式無人機集群的快速隊形控制方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201910011907.0
• 申請日: 2019-01-07
• 公開（公告）號: CN109557939A
• 公開（公告）日: 2019-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張瑋凡;許森;盛鑫軍;董偉
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G05D1/08
• 代理公司: 上海旭誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

本發(fā)明公開了一種基于偽分布式無人機集群的快速隊形控制方法，涉及無人機控制技術(shù)領(lǐng)域，所述方法包括以下步驟：步驟1：地面站獲得每架無人機的當(dāng)前位姿；步驟2：地面站解算每架無人機的目標位姿；步驟3：地面站將目標位姿廣播發(fā)送到每架無人機；步驟4：每架無人機根據(jù)收到目標位姿控制飛行軌跡。本發(fā)明以基于偽分布式無人機集群的隊形控制策略為核心來實現(xiàn)無人機集群隊形控制，能夠?qū)崟r飛行規(guī)劃并能快速收斂，控制方法簡單且具有可操作性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無人機控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于偽分布式無人機集群的快速隊形控制方法。

背景技術(shù)

在無人機集群自主飛行的過程中，合理的飛行規(guī)劃策略是保障無人機集群飛行性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。與單架無人機不同，無人機集群飛行規(guī)劃不僅要求集群整體需要按照一定軌跡運動，一些特定的任務(wù)還需要集群內(nèi)部保存一定的有序性。為了解決這一問題，許多無人機集群的控制方案采用在無人機起飛前一次性上傳規(guī)劃信息的方式。然而，這類方案存在魯棒性較差的問題。因為在面對存在未知因素的環(huán)境時，一是預(yù)先規(guī)劃的軌跡難以處理未知問題，再者即使采用動態(tài)規(guī)劃算法為每架無人機先后實時規(guī)劃出軌跡的方法也不適合個體數(shù)量大的無人機集群。因此，目前學(xué)術(shù)界多采用集群的隊形控制算法來保證無人機集群的有序性要求。

針對不同無人機集群的架構(gòu)形式，許多不同的隊形控制方案被提出。在通信能力強的集群中，集中式的架構(gòu)形式被廣泛運用。然而，無人機集群有機載通信設(shè)備通信范圍有限和執(zhí)行任務(wù)區(qū)域廣闊的特點，因此分布式的集群架構(gòu)相較集中式的架構(gòu)而言更適合無人機群。在能夠運用于分布式架構(gòu)的隊形控制算法當(dāng)中，隊形一致性原理的隊形控制算法受到廣泛關(guān)注。隊形一致性原理是目前采用比較多的一種集群隊形控制策略。它的主要思想在于將集群的局部隊形收斂經(jīng)過有限時間變換后能夠達成整體隊形的一致收斂。隊形一致性原理的優(yōu)點在于能夠在分布式架構(gòu)的集群中實現(xiàn)。

然而，僅僅使用隊形一致性原理來控制無人機集群存在一些問題。雖然隊形一致性原理保證集群隊形能在有限時間內(nèi)收斂，但是當(dāng)無人機集群包含的個體很多的時候，收斂所用時間會比較長。針對隊形控制的收斂成本問題，基于線性規(guī)劃理論的角色分配算法被廣泛加入到集群的隊形控制策略當(dāng)中。然而，以往的角色分配算法著重考慮的是機器人集群在隊形控制的過程中的位移成本的優(yōu)化，這并不是無人機集群最關(guān)心的優(yōu)化目標。這是因為即使一架無人機沒有產(chǎn)生位移，它依然需要消耗能量來維持懸停狀態(tài)。

因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于設(shè)計一種基于偽分布式無人機集群的快速隊形控制方法，以實現(xiàn)無人機集群隊形控制，使得該方法不僅能夠?qū)崟r飛行規(guī)劃，而且能快速收斂。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于偽分布式無人機集群的快速隊形控制方法，實現(xiàn)根據(jù)目標隊形進行實時飛行規(guī)劃并能快速收斂的偽分布式無人機集群的隊形控制策略。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于偽分布式無人機集群的快速隊形控制方法，所述方法包括以下步驟：

步驟1：地面站獲得每架無人機的當(dāng)前位姿；

步驟2：地面站解算每架無人機的目標位姿；

步驟3：地面站將目標位姿廣播發(fā)送到每架無人機；

步驟4：每架無人機根據(jù)收到目標位姿控制飛行軌跡。

進一步地，所述步驟1包括：

步驟1.1：每架無人機上安裝標記球；

步驟1.2：每架無人機上標記球生成點云；

步驟1.3：光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)采集標記球生成的點云而產(chǎn)生點云數(shù)據(jù)；

步驟1.4：地面站從光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)讀取點云數(shù)據(jù)，經(jīng)就近點迭代搜索算法解算后獲得每架無人機的當(dāng)前位姿。