[發明專利]一種基于降維解耦機制的無人機集群實時航跡生成方法

在審

• 申請號: 202010329829.1
• 申請日: 2020-06-23
• 公開（公告）號: CN111811511A
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 龍騰;桑田;徐廣通;孫景亮;曹嚴
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 鄔曉楠

1.一種基于降維解耦機制的無人機集群實時航跡生成方法，其特征在于：包括如下步驟，

步驟一：輸入任務信息、無人機性能信息以及航跡規劃算法參數，實現參數信息初始化；

步驟二：建立航跡離散化模型、無人機飛行約束模型和無人機集群航跡規劃問題模型；

步驟三：通過滾動時域規劃將集群航跡規劃問題分解為若干短時域規劃問題；

步驟四：在滾動規劃框架下，結合優先級解耦機制將集群航跡規劃問題轉化為一系列單航跡規劃問題，從而降低集群規劃問題維度，提高求解集群規劃的效率；

步驟五：針對解耦后的無人機單機航跡規劃問題，通過消除非主動威脅規避/機間避碰約束的檢測方法，有效減少約束檢測次數，并結合稀疏A*搜索算法，高效生成滿足飛行約束的無人機規劃航跡，實現對解耦后的無人機單機航跡規劃；

步驟六：判斷步驟四的優先級規劃循環是否結束；判斷集群所有無人機是否完成航跡規劃：若是，則轉入步驟八；反之則執行步驟七；

步驟七：更新無人機航跡規劃任務信息；低優先級無人機將接收的高優先級無人機航跡信息作為約束信息，更新非主動威脅規避/機間避碰約束，轉入步驟五；

步驟八：判斷滾動規劃時域循環是否結束；判斷當前是否滿足滾動時域規劃終止條件，若是，滾動規劃過程終止，所有無人機到達目標點，輸出集群航跡，集群航跡規劃結束；反之，更新下一個滾動規劃步的起點為當前規劃步的終點，轉至步驟三，繼續執行滾動規劃時域循環。

2.如權利要求1所述的一種基于降維解耦機制的無人機集群實時航跡生成方法，其特征在于：還包括步驟九，通過步驟一至步驟八能夠在有限時間內生成安全的集群航跡，引導無人機集群在復雜環境中飛行，進而實現大規模無人機集群協同飛行，解決大規模無人機集群規劃領域相應問題。

3.如權利要求1或2所述的一種基于降維解耦機制的無人機集群實時航跡生成方法，其特征在于：步驟一實現方法為，

所述輸入任務信息包括規劃起始點/目標點、飛行性能約束和障礙位置，滾動規劃時域的長度T，離散步長Δh以及收斂誤差δ以及無人機性能信息以及航跡規劃算法參數信息。

4.如權利要求3所述的一種基于降維解耦機制的無人機集群實時航跡生成方法，其特征在于：步驟二實現方法為，

步驟2.1：建立航跡離散化模型；

無人機集群的航跡被描述為一系列離散點，航跡離散化，步長為Δh，集合表示為Π＝{π₁,π₂,...,π_N}，N代表集群無人機數量，每一個子集中i＝1,...,N代表第i架無人機，p_i＝(x_i,y_i,z_i)表示第i架無人機的三維位置坐標，其中上標“1,2,...,k,...,K”代表航跡點的序號；

步驟2.2：建立飛行約束模型；

A.最大航向角約束

考慮無人機過載限制，所生成的航跡水平轉彎角必須小于無人機的最大航向角；最大航向角約束表示為

其中θ_max表示無人機最大航向角；表示第i架無人機在第k個航路點的轉向角；

B.最大爬升/下滑角約束

在垂直面上，飛行航跡的轉角必須滿足爬升/下滑角約束，如式(2)所示；

其中表示最大爬升/下滑角；表示第i無人機在第k個航路點的爬升/下滑角；

C.避障約束

為了保證無人機的安全，規劃的航跡必須避開環境中的障礙物；避障約束表示為式(3)；

其中Θ表示障礙區域；

D.機間避碰約束

無人機需避免相互碰撞，即任意兩個無人機均需保持最小安全距離機間避撞約束如公式(4)所示，其中||·||₂表示2-范數；

步驟2.3：建立無人機集群航跡規劃問題模型；無人機集群航跡規劃的目標是最小化無人機集群的總航跡長度；集群航跡規劃問題模型如式(5)所示；