[發明專利]基于任務邏輯調度的集群四旋翼無人機路徑生成方法

有效

• 申請號: 202110666715.0
• 申請日: 2021-06-16
• 公開（公告）號: CN113359831B
• 公開（公告）日: 2022-12-06
• 發明（設計）人: 田栢苓;張學偉;程浩;宗群
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發明涉及四旋翼無人機飛行器集群路徑生成技術，為使集群無人機在執行各自任務時，能夠相互避免碰撞，為集群四旋翼無人機進行任務分配，支持多種任務模式，包括安全起降、集群組網、編隊保持、隊形變換、目標趨近、巡飛探測六種群智模式，實現多任務的邏輯調度，本發明，基于任務邏輯調度的集群四旋翼無人機路徑生成方法，步驟如下：第一部分、集群無人機避碰路徑生成方法；第二部分、集群無人機并行任務分配方法：進行任務分配；第三部分、集群無人機任務邏輯調度方法。本發明主要應用于無人機編隊控制場合。

技術領域

本發明屬于四旋翼無人機飛行器集群路徑生成技術領域，具體涉及集群無人機任務分配、任務調度以及避碰路徑生成方法。

背景技術

近年來，四旋翼無人機由于其易操控、可靠性強、體積小等優勢，得到越來越廣泛的應用。在民用領域，街景拍攝、電力巡檢、交通監視、快遞遞送、災后救援等方面均可由四旋翼無人機完成；在軍用方面，情報偵察、軍事打擊、信息對抗、空中預警、通信中繼等任務中四旋翼無人機發揮了重要的作用。然而，計算能力和有效載荷成為小型四旋翼無人機任務規劃時的限制因素，因此通常考慮多無人機協作，目的是協調多個四旋翼無人機在有限的時間或資源預算內完成任務。

無論是民用領域還是軍用領域，多數情況下四旋翼無人機都是自主飛行而無需人類的手動操控。在無人機自主飛行過程中，無人機需要靠自身攜帶的傳感器獲取當前的位置信息以及周圍的環境信息，然后無人機根據獲取的這些信息來進行路徑生成。然而，在路徑生成過程中集群四旋翼無人機容易發生相互碰撞。因此，集群無人機的避碰路徑生成是其自主飛行的關鍵。在執行任務的過程中，還需要對集群四旋翼無人機進行任務分配，以確保更加高效、快速地完成任務。此外，集群四旋翼無人機可能需要執行多項任務，根據執行任務的優先級對集群無人機進行任務邏輯調度，以確保集群無人機能夠按照調度順序逐一執行各項任務。

針對集群四旋翼無人機的路徑生成問題，國內外學者都進行了大量的研究。2015年，美國麻省理工學院Chen等人提出了一種基于序列凸規劃的多機器人路徑規劃算法，該算法能夠找到局部最優的軌跡。2018年，美國南加利福尼亞大學Ayanian等人提出了一種基于路圖的多無人機路徑生成的方法。2018年，美國賓夕法尼亞大學的Liu等人提出了一種基于搜索的多無人機運動規劃框架，旨在解決集群飛行器在動態環境下的規劃問題。2019年，香港科技大學的Wu等人提出了一種僅在時域內實現近似最優且無碰撞的多微型飛行器路徑生成方法。

綜上所述，國內外學者對集群無人機路徑生成問題進行了卓有成效的研究，并取得了豐碩的研究成果。然而，大部分集群無人機路徑生成方法只針對單任務或者是簡單的編隊飛行，沒有多任務之間的邏輯調度，且沒有任務分配。因此，研究基于任務邏輯調度的集群四旋翼無人機避碰路徑生成方法對于提高集群無人機執行任務的效率至關重要。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明旨在提出一種基于任務邏輯調度的集群四旋翼無人機路徑生成方法。首先，該方法可以為集群四旋翼無人機生成避碰路徑，使集群無人機在執行各自任務時，能夠相互避免碰撞，保證編隊的安全性。其次，該方法可以為集群四旋翼無人機進行任務分配，保證任務執行的效率。同時，該方法能夠交換臨近無人機彼此目標點以減少多機相互避碰過程中消耗的大量時間。此外，該方法支持多種任務模式，包括安全起降、集群組網、編隊保持、隊形變換、目標趨近、巡飛探測六種群智模式，而且可以根據任務需求任意切換模式，實現多任務的邏輯調度。本發明提出的方法，旨在提高集群四旋翼無人機的任務執行效率和群智能力。為此，本發明采用的技術方案是，基于任務邏輯調度的集群四旋翼無人機路徑生成方法，步驟如下：

第一部分、集群無人機避碰路徑生成方法：集群無人機生成各自路徑時，需要考慮鄰機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之間的相互碰撞；

第二部分、集群無人機并行任務分配方法：考慮集群四旋翼無人機在任務執行過程中，需要進行任務分配，使得集群無人機分解為多個無人機群體，每一個小群體去執行一個任務；