[發(fā)明專利]基于任務(wù)邏輯調(diào)度的集群四旋翼無人機(jī)路徑生成方法

有效

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• 申請日: 2021-06-16
• 公開（公告）號: CN113359831B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田栢苓;張學(xué)偉;程浩;宗群
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 劉國威

1.一種基于任務(wù)邏輯調(diào)度的集群四旋翼無人機(jī)路徑生成方法，其特征是，步驟如下：

第一部分、集群無人機(jī)避碰路徑生成方法：集群無人機(jī)生成各自路徑時(shí)，需要考慮鄰機(jī)的位置和速度從而生成安全的避碰期望速度，從而避免集群無人機(jī)之間的相互碰撞；

第二部分、集群無人機(jī)并行任務(wù)分配方法：考慮集群四旋翼無人機(jī)在任務(wù)執(zhí)行過程中，需要進(jìn)行任務(wù)分配，使得集群無人機(jī)分解為多個(gè)無人機(jī)群體，每一個(gè)小群體去執(zhí)行一個(gè)任務(wù)；

第三部分、集群無人機(jī)任務(wù)邏輯調(diào)度方法：考慮集群四旋翼無人機(jī)在執(zhí)行不同任務(wù)過程中需要在多種群智模式之間切換，包括安全起降、集群組網(wǎng)、編隊(duì)保持、隊(duì)形變換、目標(biāo)趨近、巡飛探測六種群智模式，需要設(shè)計(jì)時(shí)序邏輯，保證集群無人機(jī)在多任務(wù)執(zhí)行過程中群智模式的順利切換；詳細(xì)步驟如下：

第一部分，集群無人機(jī)避碰路徑生成方法：

以二維平面為例介紹基于相互速度障礙的集群無人機(jī)避碰方法，所有定義和算法可以推廣至三維空間，對于兩架四旋翼無人機(jī)A和B，無人機(jī)B對于無人機(jī)A的速度障礙是由A的所有速度v_A組成的集合，且無人機(jī)A以速度v_A飛行會(huì)與以速度v_B飛行的四旋翼無人機(jī)B在某一時(shí)刻發(fā)生碰撞，假設(shè)無人機(jī)A和B的形狀分別是以r_A和r_B為半徑的圓盤狀，無人機(jī)B對于無人機(jī)A的速度障礙幾何上是一個(gè)頂點(diǎn)在v_B處的圓錐體，定義為無人機(jī)A與B的閔可夫斯基和，則有：

假設(shè)λ(p,v)表示從p開始朝向v方向的一條射線，其中p表示無人機(jī)位置，v表示無人機(jī)速度，λ(p,v)的定義如下：

λ(p,v)＝{p+tv|t≥0} (2)

其中，t表示時(shí)間變量，

無人機(jī)B對于無人機(jī)A的速度障礙的定義如下：

公式(3)定義指出：如果滿足條件那么無人機(jī)A和B將會(huì)在某一時(shí)刻發(fā)生碰撞；如果無人機(jī)A和B將不會(huì)發(fā)生碰撞；如果無人機(jī)A的速度v_A在速度障礙物的邊界上，它會(huì)在某個(gè)時(shí)刻與無人機(jī)B相切而過；

相互速度障礙的定義如下：

幾何上，公式(4)表示頂點(diǎn)位于的一個(gè)圓錐體，其中，v′_A是無人機(jī)A的速度，它表示一個(gè)速度集合，若無人機(jī)A的速度在該集合內(nèi)，則無人機(jī)A會(huì)和無人機(jī)B發(fā)生碰撞，因此，通過選擇不在該集合范圍內(nèi)的無人機(jī)A的速度可以避免無人機(jī)A與B發(fā)生碰撞，且可以避免無人機(jī)之間的振蕩運(yùn)動(dòng)；

第二部分，集群無人機(jī)并行任務(wù)分配方法：

集群無人機(jī)并行任務(wù)分配方法基于代價(jià)矩陣進(jìn)行任務(wù)分配方案求解，代價(jià)矩陣表征不同無人機(jī)執(zhí)行不同任務(wù)的代價(jià)損失，考慮無人機(jī)到目標(biāo)點(diǎn)距離為指標(biāo)，為集群無人機(jī)分配最為合理的任務(wù)目標(biāo)，具體步驟如下：

第一步：假設(shè)執(zhí)行任務(wù)的四旋翼無人機(jī)個(gè)數(shù)與目標(biāo)點(diǎn)個(gè)數(shù)相等，均為n，假設(shè)第i架四旋翼無人機(jī)到達(dá)第j個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的飛行距離為d_ij，為每架四旋翼無人機(jī)分配目標(biāo)，使得所有無人機(jī)的總航程D最小,即min D，任務(wù)分配的代價(jià)矩陣設(shè)計(jì)如下：

第二步：行規(guī)約與列規(guī)約，對代價(jià)矩陣D進(jìn)行行列變換，各行/各列減去各行/各列的最小值，使得D中各行各列都出現(xiàn)零元素，得到中間變換矩陣D₁；

第三步：進(jìn)行試指派，對于矩陣D₁，從零元素最少的行或列開始，對零元素標(biāo)記若含有多個(gè)零元素，則隨機(jī)標(biāo)記其中一個(gè)，劃去元素所在的行和列，得到子矩陣，重復(fù)上述步驟處理子矩陣，直到零元素都被處理完畢為止，此時(shí)的矩陣記為D₂，統(tǒng)計(jì)D₂中元素的個(gè)數(shù)，若個(gè)數(shù)恰好等于n，而且n個(gè)不同行且不同列，則試指派成功，直接轉(zhuǎn)至第六步變換得出最優(yōu)分配方案，算法停止；否則，繼續(xù)第四步；

第四步：對D₂畫線進(jìn)行最小覆蓋，具體操作為：

(1)對無元素的行標(biāo)記√；

(2)對標(biāo)記√的行中所有零元素所在的列標(biāo)記√；

(3)對標(biāo)記√的列中所有元素所在的行標(biāo)記√；

(4)重復(fù)上述(2)(3)，直到所有行列都無法標(biāo)記√為止；

(5)對無√標(biāo)記的行畫橫線，對有標(biāo)記√的列畫縱線，則得到最小覆蓋；

第五步：更新矩陣，找出所有未被線覆蓋元素中的最小值，先將所有未被線覆蓋的元素減去該值，之后將有√標(biāo)記的列中的元素加上該值，得到更新后的矩陣D₃，重新轉(zhuǎn)至第三步處理D₃，重復(fù)執(zhí)行第三步-第五步直至得出最優(yōu)解；

第六步：變換得出最優(yōu)分配方案，對第五步中得到的最優(yōu)解矩陣，將所有元素變?yōu)?，其他非零元素變?yōu)?，即可得到最終的分配方案；

第七步：任務(wù)重分配，當(dāng)兩架無人機(jī)之間的距離小于或等于某一閾值且兩架無人機(jī)的路徑相互交叉時(shí)，或者當(dāng)其中一架無人機(jī)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而另一架已經(jīng)位于目標(biāo)位置時(shí)，觸發(fā)重分配，對兩架無人機(jī)交換目標(biāo)點(diǎn)，縮短總路徑長度以及避免相互避碰過程帶來的時(shí)間損耗；

第三部分，集群無人機(jī)任務(wù)邏輯調(diào)度方法：具體步驟如下：

第一步：起飛過程，四旋翼無人機(jī)從災(zāi)區(qū)外起飛至80m高度，且起飛時(shí)無人機(jī)沒有固定的隊(duì)形，無人機(jī)之間的位置隨機(jī)給定；

第二步：集群組網(wǎng)，起飛過程完成后，四旋翼無人機(jī)高度下降至50m，然后進(jìn)行集群組網(wǎng)，集群組網(wǎng)的過程是集群四旋翼無人機(jī)編隊(duì)的過程，無人機(jī)集結(jié)成一個(gè)編隊(duì)，且任意兩架無人機(jī)之間的距離為5m；

第三步：目標(biāo)趨近與編隊(duì)保持，集群組網(wǎng)完成后，四旋翼無人機(jī)保持當(dāng)前編隊(duì)向救援現(xiàn)場飛行，該過程集群無人機(jī)的高度由50m下降到30m；

第四步：任務(wù)分配與隊(duì)形變換，到達(dá)救援現(xiàn)場后，根據(jù)待救援區(qū)域數(shù)量以及任務(wù)量大小為無人機(jī)分配5個(gè)目標(biāo)區(qū)域；

第五步：目標(biāo)趨近與巡飛探測，根據(jù)第四步的分配結(jié)果，各個(gè)無人機(jī)趨近各自對應(yīng)的目標(biāo)區(qū)域，一旦執(zhí)行子任務(wù)的所有無人機(jī)到達(dá)指定區(qū)域，就會(huì)觸發(fā)巡飛探測過程，該過程采用蛇形航跡巡飛，以保證覆蓋整個(gè)巡飛區(qū)域；

第六步：隊(duì)形變換、目標(biāo)點(diǎn)趨近與安全降落，對于有多個(gè)無人機(jī)執(zhí)行巡飛探測的目標(biāo)區(qū)域，探測結(jié)束后無人機(jī)需要重新編隊(duì)為一個(gè)三角形，執(zhí)行任務(wù)。