[發(fā)明專利]雙模式盤旋追蹤地面目標的多無人機協(xié)同航跡規(guī)劃方法

有效

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• 申請日: 2021-01-07
• 公開（公告）號: CN112923925B
• 公開（公告）日: 2023-02-21
• 發(fā)明（設計）人: 胡超芳;曲歌;宋思涵
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 韓帥

本發(fā)明公開了雙模式盤旋追蹤地面目標的多無人機協(xié)同航跡規(guī)劃方法，構建無人機運動學模型、地面目標運動模型和三維城市環(huán)境模型；基于無人機與高層建筑避障需求提出盤旋模式與避障模式切換的條件；基于同步分布式模型預測控制的多目標優(yōu)化算法構建雙模式下多目標優(yōu)化模型；基于松弛滿意度序方法建立優(yōu)先級模型獲得廣義的模糊滿意度目標規(guī)劃模型；基于同步分布式模型預測控制和模糊目標規(guī)劃方法構建雙模式下的多無人機協(xié)同航跡規(guī)劃模型；本發(fā)明綜合考慮追蹤精度、能量節(jié)約等性能指標及其不同優(yōu)先級要求，基于同步分布式模型預測控制和模糊目標規(guī)劃方法，以保證多無人機協(xié)同飛行安全可控為前提，為多無人機協(xié)同追蹤目標提供可靠的航跡規(guī)劃方案。

技術領域

本發(fā)明屬于航跡規(guī)劃領域，尤其涉及雙模式盤旋追蹤地面目標的多無人機協(xié)同航跡規(guī)劃方法。

背景技術

無人機體積小、靈活性高、穩(wěn)定性好、適應性強，能夠代替人類完成一些困難的工作，承擔一些特殊使命，廣泛的應用在農(nóng)業(yè)植保、森林滅火、海上救援、物流運輸?shù)溶娛隆⒚裼梅矫妗Ｓ捎跓o人機無需載人飛行，可以規(guī)避潛在風險的特性，常用于執(zhí)行一些復雜、高危的任務，如在條件惡劣、地圖復雜的城市場景中實現(xiàn)對地面目標的實時監(jiān)控和追蹤。然而，城市環(huán)境中的建筑物遮擋會對追蹤效果造成影響，因此為了達到更高的追蹤精度，往往需要通過多無人機協(xié)作來完成追蹤任務。

以復雜城市環(huán)境為例，其中建筑物高低混合分布，移動目標速度變化，以多無人機協(xié)同工作實現(xiàn)對其準確的監(jiān)控和跟蹤，具有重要的研究價值，多無人機的航機規(guī)劃算法也備受關注。當追蹤以較低速度運動的目標時，無人機需保持一定的巡航速度，使無人機圍繞目標持續(xù)盤旋，以避免發(fā)生失速問題。當無人機傳感器覆蓋域內(nèi)存在高層建筑障礙物時，則需要在考慮避障的同時，最大限度的完成追蹤任務。因此雙模式的航跡規(guī)劃方案對于追蹤變速的目標和適應復雜的飛行環(huán)境是必要且完備的，根據(jù)不同模式的追蹤特性，設置不同的性能指標函數(shù)和約束條件來適應需求，如精度需求、節(jié)能需求等。對于不同模式下性能指標模型的建立和優(yōu)先級的表示，同樣對是否能得到最優(yōu)航跡有著決定性的作用。另外，考慮到無人機飛行安全性，當存在通信延遲情況時，如何避免無人機之間的碰撞也是重點之一。因此在考慮無人機追蹤精度、能量節(jié)約、避碰避障等多重性能需求下，為實現(xiàn)地面目標的雙模式多無人機盤旋追蹤任務，對協(xié)同航跡規(guī)劃算法進行研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

對于空中環(huán)境開闊，不確定因素少，可以利用無人機來執(zhí)行一些在地面難以完成的任務。航跡規(guī)劃作為無人機相關的關鍵技術之一，現(xiàn)有的專項研究內(nèi)容豐富，算法多樣。然而單機無法適用于某些復雜、擁擠、有遮擋的地形條件，因此需要采用多無人機協(xié)同才能完成工作。多無人機協(xié)同規(guī)劃的目的不是要求其中某一架無人機得到最優(yōu)路徑，而是要求無人機群的整體性能達到最優(yōu)。然而，現(xiàn)有針對目標低速下追蹤的無人機協(xié)同航跡規(guī)劃算法較少，且對于城市環(huán)境的避障等問題也鮮有考慮，因此本發(fā)明具有重要的研究意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明涉及多無人機的協(xié)同航跡規(guī)劃，以多無人機在城市環(huán)境中追蹤移動的地面目標為背景，在保證高精度追蹤的基礎上，考慮無人機的節(jié)能問題和安全飛行問題，設計了一種雙模式盤旋追蹤地面目標的多無人機協(xié)同航跡規(guī)劃算法，該發(fā)明采用盤旋模式為主、避障模式為輔的雙模式切換追蹤策略，適用于多無人機協(xié)同追蹤地面低速運動目標。

本發(fā)明采用如下技術方案予以實施：

雙模式盤旋追蹤地面目標的多無人機協(xié)同航跡規(guī)劃方法，包括如下步驟：

以多無人機追蹤城市中低速移動的地面目標跟蹤為背景構建無人機運動學模型、地面目標運動模型和三維城市環(huán)境模型；

基于無人機與高層建筑避障需求提出盤旋模式與避障模式切換的條件；

基于同步分布式模型預測控制的多目標優(yōu)化算法構建雙模式下多目標優(yōu)化模型；

基于松弛滿意度序方法建立優(yōu)先級模型獲得廣義的模糊滿意度目標規(guī)劃模型；

基于同步分布式模型預測控制和模糊目標規(guī)劃方法構建雙模式下的多無人機協(xié)同航跡規(guī)劃模型。