[發明專利]基于位置信息的固定翼無人機編隊飛行方法

有效

• 申請號: 201910566779.6
• 申請日: 2019-06-27
• 公開（公告）號: CN110262553B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 王睿;周洲;王正平;丁昱心;陳明哲;邸偉承;孫蓬勃;童心雨;鄭黎明
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 劉新瓊

本發明涉及一種基于位置信息的固定翼無人機自動編隊飛行裝置與方法，編隊控制的目標是把每架僚機控制到目標站位，且具有和長機一樣的對地速度大小和方向。首先，組建一種星形的一對多通信網絡，把長機的位置信息通過下行鏈路發送到地面控制站(GCS)，GCS再把長機位置信息發送給各個僚機；其次，僚機根據預定的編隊站位和長機位置信息，實時解算出目標位置坐標；再次，僚機根據自己的實際位置和目標位置信息，計算并分解得到縱向和橫航向導航信息；然后，調用編隊飛行控制算法，得到僚機的目標姿態、速度和高度；最后，調用僚機的自動駕駛儀的姿態、速度和位置控制模塊，把僚機控制到目標位置。

技術領域

本發明涉及無人機編隊飛行控制技術領域，尤其涉及一種低成本的基于位置信息的固定翼無人機自動編隊飛行方法與裝置。

背景技術

隨著航空技術、自動控制技術、通信技術的不斷發展，無人機在軍事和民用領域得到了越來越廣泛的應用。在實際使用中存在的一個矛盾是，從存儲、運輸、起降等易用性角度考慮，希望無人機平臺越輕越小越好；從執行任務的角度考慮，希望能攜帶的載荷越多越重越好，這就意味著無人機平臺需要盡可能大。解決該矛盾的方式之一是把載荷分散安裝到多架小型無人機上，多機間采用協同工作的形式組合，從而既有小型無人機的靈活方便的優勢，又有大型無人機的載荷能力強的優勢。但是，采用這種方法隨之而來的問題是需要多架協同工作的無人機能夠自動組成編隊飛行。采用合理的編隊飛行陣列，還可以充分利用前機的渦流，提高后機的空氣動力學效率，從而提高無人機群的航程和航時。

在固定翼無人機編隊飛行領域，文獻(袁利平,陳宗基.一種基于局部相對狀態信息的固定翼無人機分散化編隊飛行控制方法[C].第三十屆中國控制會議,中國,煙臺,2011.)以編隊運動方向為參照，利用基于相對位置的編隊圖描述給定的編隊幾何構型。按照編隊圖的要求，給出一種基于信息一致性的分散化編隊飛行控制策略。其控制策略由兩部分組成，一部分是利用無人機之間的相對速度和相對航向信息進行速度和航向同步，另一部分是利用無人機之間的相對位置信息進行編隊形成和隊形保持。但是，該方法需要得到無人機間的相對速度和航向信息，而且要求無人機具有航向控制能力，即需要無人機具有較強的勢態感知和控制能力，在低成本無人機上的實用性不強。

文獻(張民,黃坤,夏衛政,陳欣.一種固定翼無人機編隊制導裝置及協同跟蹤制導方法[P].中華人民共和國發明專利,CN 107422748A,2017.12 01.)的發明提出了一種固定翼無人機編隊制導裝置及協同跟蹤制導方法，屬于無人機飛行控制技術領域。該發明在設計一種用于無人機編隊制導的嵌入式計算機裝置的基礎上，進行協同跟蹤地面目標制導方法設計，首先，設計了Leader無人機自動跟蹤地面目標的制導方法并進行了穩定性分析；其次，設計了Follower無人機自動跟蹤Leader無人機的跟蹤制導方法和用于編隊相位控制的協同制導方法，并進行了穩定性分析；最后，分別針對靜止目標、勻速直線運動目標和變速運動目標的跟蹤問題進行了仿真驗證。該發明能夠實現對各類地面目標的自動協同跟蹤，并且在同等條件下跟蹤性能明顯優于采用經典李雅普諾夫向量法的制導方法。但是，該方法同要需要使用無人機的航向角信息，使用的跟蹤算法是基于角速度和加速度的制導律，與本發明所提出的基于位置信息的編隊控制方法截然不同。

文獻(張學軍,聶尊禮.基于人工勢場法的無人機編隊控制方法及裝置[P].中華人民共和國發明專利,CN 108459612 A,2018.08.28.)的發明涉及一種基于人工勢場法的無人機編隊控制方法及裝置，通過將編隊坐標系轉換到全局NED坐標系，確定編隊中每個無人機在全局NED坐標系中的理想位置；根據無人機的預定目標位置，無人機的理想位置，確定無人機所受到的預定目標位置對其施加的引力；根據無人機的速度矢量、與無人機相對應的障礙物的速度矢量，確定無人機所受到的障礙物對其施加的斥力；根據無人機受到的引力與無人機受到的所有障礙物對其施加的斥力，確定無人機所受到的合力；根據無人機受到的合力，無人機及其周圍僚機的飛行狀態信息，確定無人機的運動趨勢，以使控制器根據無人機的運動模型對無人機編隊進行飛行控制。但是，該發明屬于多旋翼無人機領域，所提出的方法難以適用于具有正速度限制的非完整運動學約束特征的固定翼無人機，所提出的裝置僅有基本功能描述，沒有涉及實體。