一种面向垂直分层多四旋翼无人机编队的下洗流感知的控制方法、设备及介质

本申请涉及无人机，特别是涉及一种面向垂直分层多四旋翼无人机编队的下洗流感知的控制方法、设备及介质。

背景技术：

1、随着无人机技术的发展，多无人机协同作业已广泛应用于基础设施巡检、搜索救援、协同运输、环境监测以及应急处置等场景。与单架无人机相比，多无人机编队能够扩大任务覆盖范围并提高作业效率。然而，在多无人机紧凑编队飞行过程中，各无人机不仅需要保持预定队形，还需要避免机间碰撞，并满足实时动力学约束和控制输入约束。尤其是在垂直分层四旋翼无人机编队中，上层无人机旋翼产生的下洗流会对下层无人机产生气动扰动，从而导致下层无人机高度下降、轨迹跟踪误差增大，严重时可能引起高度安全裕度不足甚至飞行失稳。因此，如何在紧凑垂直分层多无人机编队中实现安全、稳定和实时的高度控制，成为多无人机协同飞行控制中的重要问题。

2、现有多无人机安全控制方法通常将安全问题表述为几何避碰问题，即通过约束无人机之间的相对距离，使任意两架无人机之间保持不小于预设安全距离。该类方法能够在一定程度上避免无人机之间发生直接碰撞，但对于垂直分层四旋翼无人机编队而言，仅依靠机间距离约束并不能充分保证高度安全。当下层无人机受到上层无人机下洗流影响时，即使其与其他无人机之间仍满足几何距离安全要求，也可能因竖直方向扰动而接近或突破最低安全高度边界。因此，现有仅基于几何避碰的安全控制方法难以有效解决下洗流作用下的高度安全裕度降低问题。

3、针对旋翼下洗流影响，已有技术主要从下洗流气动建模、气流测量以及下洗流感知路径规划等方面进行处理。例如，部分方法通过增大上下层无人机之间的垂直间距、设置扩展安全区域或者预先修正飞行路径，以降低下洗流对下层无人机的影响。上述方法能够在一定程度上缓解下洗流风险，但通常属于间接规避或预先规划方式，难以根据飞行过程中的实时状态对控制指令进行闭环修正。当任务场景要求无人机保持紧凑编队，或者飞行空间受限而无法简单增大层间距时，该类方法会降低编队紧凑性和任务执行效率，也难以在下洗流模型存在不确定性的情况下提供明确的闭环高度安全保证。

4、此外，控制障碍函数和二次规划安全滤波等方法已被用于无人机安全控制。该类方法能够在满足安全约束的前提下，对名义控制指令进行较小幅度修正，具有实时安全控制的应用潜力。然而，现有基于控制障碍函数的多无人机编队控制方法大多仍主要关注机间几何距离安全，对旋翼下洗流引起的高度安全裕度降低考虑不足；并且实际下洗流强度会受到旋翼转速、推力变化、飞行姿态、上下层无人机相对位置、气流扩散以及外部环境扰动等因素影响，名义下洗流模型难以与真实扰动完全一致。若控制器未对下洗流建模误差进行补偿，则即使控制指令满足基于估计模型的安全条件，也可能无法在实际飞行过程中维持足够的高度安全裕度。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种面向垂直分层多四旋翼无人机编队的下洗流感知的控制方法、设备及介质，可提高垂直分层多四旋翼无人机编队在下洗流扰动条件下的飞行安全性和编队稳定性。

2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

3、第一方面，本申请提供了一种面向垂直分层多四旋翼无人机编队的下洗流感知的控制方法，包括：

4、在当前控制周期，获取垂直分层多四旋翼无人机编队中各无人机的编队状态数据；

5、基于各无人机的编队状态数据，确定名义编队控制输入集合；

6、基于各无人机的编队状态数据，识别下层无人机受到上层无人机的下洗流影响，并计算下洗流诱导加速度；

7、基于所述下洗流诱导加速度，确定下洗流建模误差边界；

8、基于各无人机的编队状态数据、所述下洗流诱导加速度及所述下洗流建模误差边界，构建鲁棒高度安全约束及机间距离安全约束；

9、以所述名义编队控制输入集合为参考，在所述鲁棒高度安全约束、所述机间距离安全约束及预设控制输入边界的约束下，采用二次规划安全滤波求解各无人机的安全控制输入，得到最优安全控制输入集合；

10、基于所述最优安全控制输入集合，控制所述垂直分层多四旋翼无人机编队的飞行，并在进入下一控制周期时，返回各无人机的编队状态数据的获取步骤。

11、第二方面，本申请提供了一种计算机设备，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现面向垂直分层多四旋翼无人机编队的下洗流感知的控制方法。

12、第三方面，本申请提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现面向垂直分层多四旋翼无人机编队的下洗流感知的控制方法。

13、根据本申请提供的具体实施例，本申请公开了以下技术效果：本申请实时获取垂直分层多四旋翼无人机编队中各无人机的编队状态数据，识别下层无人机受到上层无人机的下洗流影响，并计算下洗流诱导加速度，然后确定下洗流建模误差边界，进而构建鲁棒高度安全约束及机间距离安全约束。将鲁棒高度安全约束、机间距离安全约束和控制输入边界统一纳入二次规划安全滤波求解过程，从而在尽量保持名义编队跟踪性能的同时，实现下洗流扰动及模型不确定性条件下的高度安全、机间距离安全和输入边界的统一实时控制。通过上述处理，本申请提高了垂直分层多四旋翼无人机编队在下洗流扰动条件下的飞行安全性和编队稳定性。

1.一种面向垂直分层多四旋翼无人机编队的下洗流感知的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的面向垂直分层多四旋翼无人机编队的下洗流感知的控制方法，其特征在于，无人机的编队状态包括位置、推力、质量、姿态及相对空间关系；

3.根据权利要求2所述的面向垂直分层多四旋翼无人机编队的下洗流感知的控制方法，其特征在于，所述下洗流诱导加速度幅值的计算公式为：

4.根据权利要求1所述的面向垂直分层多四旋翼无人机编队的下洗流感知的控制方法，其特征在于，所述下洗流建模误差边界的函数公式表示为：

5.根据权利要求1所述的面向垂直分层多四旋翼无人机编队的下洗流感知的控制方法，其特征在于，无人机的编队状态包括位置及速度；

6.根据权利要求1所述的面向垂直分层多四旋翼无人机编队的下洗流感知的控制方法，其特征在于，无人机的编队状态包括位置及速度；

7.根据权利要求1所述的面向垂直分层多四旋翼无人机编队的下洗流感知的控制方法，其特征在于，所述预设控制输入边界包括控制输入下界和控制输入上界；

8.根据权利要求1所述的面向垂直分层多四旋翼无人机编队的下洗流感知的控制方法，所述名义编队控制输入集合的计算公式为：

9.一种计算机设备，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序以实现权利要求1-8中任一项所述的面向垂直分层多四旋翼无人机编队的下洗流感知的控制方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-8中任一项所述的面向垂直分层多四旋翼无人机编队的下洗流感知的控制方法。