一种可拓展分布式无人机编队控制方法与流程

1.本发明涉及无人机技术领域，具体为一种可拓展分布式无人机编队控制方 法。


背景技术：

2.无人机是一种可重复使用的无人驾驶飞行器，与有人机相比具有高机动性、 低成本的特点。无人机编队飞行，旨在将一定数量的无人机按一定队形排列， 在飞行途中保持队形不变。
3.无人机编队控制方法主要分为集中式与分布式两种，集中式控制要求存在 一个控制站向所有无人机发送控制指令，分布式控制不需要对每架飞机进行单 独控制，每架无人机通过与邻近无人机的信息交互实现编队形成与保持，无论 是集中式还是分布式编队都要求建立通讯网络。集中式编队控制需要在每架无 人机与控制站间建立通讯网络，分布式编队控制要求在无人机间建立通讯网络， 确保存在有向生成树。此外，目前对于无人机编队的可拓展问题研究较少，由 于编队控制采用分布式算法，因此每架无人机无法获得整体编队情况及空位信 息，使得编队拓展存在困难。


技术实现要素：

4.针对背景技术中指出的问题，本发明提出一种可拓展分布式无人机编队控 制方法。
5.本发明的技术方案是这样实现的：
6.一种可拓展分布式无人机编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.步骤1：建立无人机编队数学模型；
8.步骤2：基于一致性控制律实现编队稳定；
9.步骤3：执行寻找空位算法确定编队空位
10.步骤3.1：在空域中，编队中空间位置相邻的无人机之间建立通讯拓扑结构， 进行位置信息、速度信息的双向交换；
11.步骤3.2：计算编队无人机在编队坐标系下的位置
[0012][0013]
公式(1)中，ψ为航向角，[x'
i
、y'
i
、z'
i
]为在编队坐标系下第i架无人 机的位置，[x
i
、y
i
、z
i
]为在惯性坐标系下第i架无人机的位置；
[0014]
步骤3.3：根据通讯拓扑结构，第i架无人机与其相邻的无人机的距离差 为：
[0015][0016]
disx表示第i架无人机与相邻无人机在ox1轴方向的距离差，disy表示第 i架无人
[0032]
||y
i
‑
y
j
‑
r
y
(i,j)||
→0[0033]
||z
i
‑
z
j
‑
r
z
(i,j)||
→0ꢀꢀ
(5)。
[0034]
综上所述，本发明的有益效果为：
[0035]
基于分布式算法，得到编队中每架无人机的空位方向，使待加入无人机可 以顺利加入编队，形成一定的队形，提高了编队的可拓展性，同时不需要对待 加入无人机进行特别的设置，实现了编队的稳定拓展。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1为本发明的编队通讯拓扑与编队构型对应图；
[0038]
图2为本发明的编队初始构型与编队通讯拓扑示意图；
[0039]
图3为本发明的编队拓展立体结果图；
[0040]
图4为本发明的编队拓展平面结果图；
[0041]
图5为本发明的编队拓展流程图。
[0042]
附图中符号及标号说明如下：
[0043]
n
‑
不满足条件；
[0044]
y
‑
满足条件；
[0045]
虚线为待加入无人机；
[0046]
实线为编队无人机。
具体实施方式
[0047]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
如下参考图1
‑
5对本发明进行说明：
[0049]
一种可拓展分布式无人机编队控制方法，包括以下步骤：
[0050]
以下采用的是某型号无人机作为研究对象，实验环境为2.6ghz、16g内 存、matlab2019b版本。
[0051]
步骤1：建立无人机编队数学模型
[0052]
定义惯性坐标系oxyz，其中o为惯性坐标系原点与起始点固联，ox轴 在水平面内随机确定，oz轴向上垂直于水平面，oy轴与ox、oz轴构成右 手坐标系；
[0053]
定义编队坐标系ox1y1z1，其中o为惯性坐标系原点，ox1轴在水平面内指 向航向方向，oz1轴向上垂直于水平面，oy1轴与ox1、oz1构成右手坐标系；
[0054]
无人机编队数学模型如下式所示：
[0055][0056]
公式(3)中，v
xi
、v
yi
、v
zi
分别代表第i架无人机在惯性坐标系下沿x轴、y 轴、z轴三个方向的速度；a
xi
、a
yi
、a
zi
分别代表第i架无人机在惯性坐标系 下沿x轴、y轴、z轴三个方向的加速度。
[0057]
步骤2：基于一致性控制律实现编队稳定
[0058]
利用如下控制律实现编队稳定：
[0059][0060]
公式(4)中，为第i架无人机在惯性坐标系下沿x轴、y轴、z 轴三个方向的期望速度，分别设为：
[0061][0062]
a
ij
代表第i架无人机和第j架无人机之间通讯拓扑结构中对应的元素，若第i 架无人机接受到第j架无人机的信息，则a
ij
＝1，i,j＝1,2,
…
,n,i≠j，反之a
ij
＝0，r
x
、r
y
、r
z
为第i架无人机和第j架无人机之间的期望距离，基于上述控制律 实现编队稳定，编队稳定定义如下：
[0063]
||x
i
‑
x
j
‑
r
x
(i,j)||
→0[0064]
||y
i
‑
y
j
‑
r
y
(i,j)||
→0[0065]
||z
i
‑
z
j
‑
r
z
(i,j)||
→0ꢀꢀ
(5)
[0066]
其中邻接拓扑矩阵、期望距离矩阵设置如下：
[0067][0068][0069]
r
x
＝0
n
×
n
ꢀꢀ
(8)
[0070]
r
z
＝0
n
×
n
ꢀꢀ
(9)
[0071]
在空域内共投放9架无人机其中1
‑
8架为编队无人机，第9架为待加入 无人机。编队构型与通讯拓扑如图2所示。每架无人机初始位置、初始速度、 航向角如下表所示：
[0072][0073][0074]
步骤3：执行寻找空位算法确定编队空位
[0075]
步骤3.1：在空域中，编队中空间位置相邻的无人机之间根据通讯拓扑建立 原则建立通讯拓扑结构如图1所示，进行位置信息、速度信息的双向交换。基 于通讯拓扑建立原
则，每架无人机最多与四架邻近无人机建立通讯。待加入 无人机与编队中无人机的通讯遵循就近原则，即待加入无人机就近与有空位 的无人机建立通讯，同时待加入无人机预设了一个距离值。
[0076]
9号无人机与编队中无人机的通讯建立编遵循就近原则，即待加入无人 机就近与有空位的无人机建立通讯，同时9号无人机预设了一个距离值10。
[0077]
步骤3.2：计算编队无人机在编队坐标系下的位置
[0078][0079]
公式(1)中，ψ为航向角，[x'
i
、y'
i
、z'
i
]为在编队坐标系下第i架无人 机的位置，[x
i
、y
i
、z
i
]为在惯性坐标系下第i架无人机的位置；
[0080]
步骤3.3：根据通讯拓扑结构，第i架无人机与其相邻的无人机的距离差 为：
[0081][0082]
公式(2)由公式(1)变换得出，disx表示第i架无人机与相邻无人机 在ox1轴方向的距离差，disy表示第i架无人机与相邻无人机在oy1轴方向的 距离差。
[0083]
利用disx与disy的正负判断相邻的第i架无人机与第j架无人机之间的 相对位置关系，基于通讯拓扑建立规则，当disx或disy出现0项时，则第i 架无人机周围存在空位；
[0084]
步骤4：待加入无人机与编队无人机建立通讯并加入编队
[0085]
待加入无人机与最近的有空位无人机建立单向通讯，待加入无人机获得 有空位无人机的位置信息、速度信息，待加入无人机靠近有空位无人机后两 者的距离在一定范围内，待加入无人机与有空位无人机建立双向通讯，根据 通讯拓扑结构，待加入无人机进入有空位无人机的空位中，并按照步骤2中 的一致性控制律加入编队。
[0086]
以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。