[發明專利]一種基于QUATRE算法的多無人機同時起飛集結方法

在審

• 申請號: 202011263476.6
• 申請日: 2020-11-12
• 公開（公告）號: CN112363532A
• 公開（公告）日: 2021-02-12
• 發明（設計）人: 劉宏娟;賀若飛;胡凱強;李彥;田雪濤;馬麗娜
• 申請（專利權）人: 西安愛生技術集團公司;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: 華金

1.一種基于QUATRE算法的多無人機同時起飛集結方法，其特征是：包括如下步驟：

步驟1，依據下述公式建立無人機數學模型，獲取無人機的運動方程。

假設固定翼無人機的飛行過程中無側滑及高度變化，速度由加速度和航跡方位角及航跡傾斜角控制，考慮在地面坐標系下無人機質心的運動方程，運用歐拉積分法對固定翼無人機的運動方程離散近似為：

式中，γ，χ分別為加速度、航跡方位角和航跡傾斜角；x，y，h分別為飛機質心位置在地面坐標系中的投影坐標；a，γ′，x′分別為加速度，航跡傾斜角速度和航跡方位角速度，dt為采樣周期；

取無人機i在k時刻的狀態變量與控制變量為：X_i(k)＝[x_i(k) y_i(k) h_i(k) γ(k) γ_i(k) x_i(k)]和U_i(k)＝[a_i(k)χ′_i(k)γ′_i(k)]，此時無人機的運動方程即為：

X_i(k+1)＝f(X_i(k)，U_i(k)) (2)

步驟2：無人機小組組長起飛，無人機編隊以起飛場地的跑道數為除數分成多個小組，使每個小組包含不大于跑道數的無人機數目；每個無人機小組分配一個組長，編隊隊長跟蹤預設的圓形軌道，隊長采用軌跡跟蹤算法，逐漸向預設軌道移動并且最終跟隨軌道；

步驟3：小組組員集結控制采用DMPC結構，依據QUATRE算法求解DMPC框架中的最優代價函數值，得到無人機起飛小組組員的集結控制量；

步驟4：依據步驟3得到的無人機起飛小組組員的集結控制量，無人機小組將在圓形軌道上完成對接，形成最終的無人機編隊起飛集結隊形。

2.如權利要求1所述的一種基于QUATRE算法的無人機編隊起飛集結方法，其特征是：所述的步驟3小組組員集結控制采用DMPC結構的運動方程可以表示為：

其中DMPC框架中的無人機小組組員的整體代價即是組員數目架無人機的代價加權和：

3.如權利要求1所述的一種基于QUATRE算法的無人機編隊起飛集結方法，其特征在于：軌跡跟蹤算法具體如下：

①通過設定的圓軌跡參數以及無人機位置，求得無人機在圓形軌跡上的投影點q；

②偏移角度依據上述的投影點q和無人機位置在投影點q的偏移角度λ，求解得出此無人機在圓形軌跡上與投影點q偏移角度為λ的偏移采樣點s；

③依據無人機方向速度與無人機到偏移采樣點s求得無人機速度方向與無人機到偏移采樣點s的夾角ψ，將ψ帶入式(1)求得無人機下一刻的控制量u_i(k+1)：

u_i(k+1)＝[0，χ′(k+1)，0] (3)

④控制量u_i(k+1)為無人機下一步軌跡跟蹤控制量。

4.如權利要求1所述的一種基于QUATRE算法的無人機編隊起飛集結方法，其特征在于：所述步驟3中DMPC結構下的小組組員行為可以由每架UAV來聯合描述，整個的小組組員運動方程可以表示為：

式中，為無人機編隊在k時刻的狀態向量和控制向量。在控制輸入量已知時(即……和給定時)，時刻k＝n*dt的編隊狀態可以根據式(5)遞推出；

編隊中各個無人機是相對獨立進行控制，無人機編隊的整體代價即是組員數目架無人機的代價加權和：

5.如權利要求2所述的一種基于QUATRE算法的無人機編隊起飛集結方法，其特征在于：組員數目架無人機的代價加權和包括：集結隊形代價函數、隊內避免碰撞代價函數和整體性代價函數。