一种基于距离定位的未知目标围剿方法

1.本发明涉及无人机领域，具体涉及一种基于距离定位的未知目标围剿方法。


背景技术：

2.无人机系统围剿控制在联合监控、联合打击、目标追踪、环境勘测等方面有着广泛的应用，引起了诸多学者的关注。在多无人机系统对目标的围剿算法中，不仅要实现无人机整体上的协同运动，还需要通过对目标的合围，实现对目标的保护或打击等任务。多无人机系统围剿控制问题的核心思想是通过对目标的探测和无人机个体间的信息交互，设计控制协议，使得多无人机系统接近目标并按照一定的包围结构对目标形成包围。在实际应用中，对目标的探测有诸多的限制，获取其全部位置信息并不容易，所以基于目标的不全信息的包围控制问题显得尤为重要。
3.首先，与静态目标相比，移动目标的围剿不是一个相对平衡的运动，这使得控制问题更加复杂。为了使得目标包围圈控制，进一步要求所有无人机一起在以目标为中心的圆上滑翔。为了实现移动目标的围剿任务，大部分相关工作都要求代理无人机能够获取或估计目标的位置或其他信息。而且代理无人机之间的信息获取方式可分为直接和间接两种。直接的是指信息在多无人机系统之间的传输是通过有线或无线网络。间接的是代理无人机通过相对距离测量或方位测量获得相邻无人机或目标的状态信息。
4.但是，在大多数实际情况下，无人机是无法直接获得目标的绝对位置信息。因此，人们提出了许多相对定位算法，如基于距离的或者基于方位的等。目标的位置不能仅依靠代理与目标之间的瞬时距离测量来估计。因此，现有的基于距离的定位算法除了在连续两个瞬间测量相对距离外，都要求通过直接将移动目标的位移传递给其他移动代理来获得相对位移。
5.然而，在实际应用中，目标的状态可能是完全未知的，目标和代理之间不存在直接通信。正如围剿的目标是敌对关系，不可能将其位置共享给围剿者。因此，如何仅根据距离估计目标的实时相对位置是目前的研究空洞。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于距离定位的未知目标围剿方法，用以解决仅根据距离估计目标的实时相对位置的问题。
7.为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：一种基于距离测量的无人机围剿方法，包括：首先，确定代理无人机和目标无人机的动力学模型；其次，在代理无人机的坐标系统一的前提下，代理无人机实时获取自身的位移参数以及代理无人机之间、代理无人机与目标无人机之间的距离参数，结合所述动力学模型，构建代理无人机与目标无人机位置的位置关系模型，并构建对目标无人机的位置估计器；最后，利用位置估计器结合代理无人机到目标无人机之间的相对估计位置，通过
预设的自适应围剿控制器，结合预设的针对于目标无人机的围剿轨迹的半径以及轨迹控制频率、控制器增益，得到代理无人机的速度控制指令，代理无人机根据所述速度控制指令围剿目标无人机；其中，所述自适应围剿控制器表示为：其中为控制器增益，满足，t 为采样周期；是预先设定的围剿轨迹，代理无人机 1 和代理无人机 2 在以目标无人机为中心的圆形围剿轨迹上对称运动；r是代理无人机 1 和代理无人机 2 轨迹的半径，k 表示时刻，r代表实数集，n 代表维度，是围剿的轨迹控制频率；、表 示代理无人机 1、代理无人机 2 到目标无人机的相对估计位置，和是代理无人机 1 和代理无人机 2 的速度控制指令。
8.进一步地，所述构建对目标无人机的位置估计器，包括：表示目标无人机在 k 时刻位置估计量，则变量表示：其中，表示代理无人机 1 到代理无人机 2 的相对位置，上标 t 表示转置操作；对目标无人机的位置便可通过估计量进行估计，位置估计器表示为：其中是估计增益，表示为：其中， 目标无人机在 k 时刻的协方差矩阵表示为：其中 表示指数遗忘因子和表示信息利用因子； 表示n维的单位矩阵，表示上一个时刻的协方差矩阵。
9.进一步地，所述预先设定的围剿轨迹满足。
10.进一步地，所述代理无人机和目标无人机的动力学模型表示为：其中，为代理无人机i 在k 时刻的位置, r 代表实数集， n 代表维度；为代理无人机i 速度控制指令，满足；和分别为
预设的代理无人机速度差的最小值和最大值， t 是采样周期。
11.进一步地，当代理无人机 1、代理无人机 2 的坐标不统一时：通过布置基站，将两个代理无人机安置标签以统一为一个坐标系；或以一个代理无人机的坐标系为参考坐标系，另一个代理无人机只需确定其初始相对于参考坐标系的初始状态，结合自身的计算的状态与初始状态通过一个旋转矩阵便可换算到参考坐标系上，由此实现两个代理无人机坐标系统一。
12.进一步地，所述构建代理无人机与目标无人机位置的位置关系模型，表示为：其中，表示代理无人机 1 到代理无人机 2 的相对位置， 上标 t 表示转 置， 为 k 时刻目标无人机的位置， 代表代理无人机 i 与目标无人机的相对距离，i=1,2；i=1,2；和分 别表示代理无人机1 和代理无人机 2 的初始位置，、表示代理无人机1、 2 的位移积分量，表示积分过程中的变量参数，=0，
ꢀ…
， k-1。
13.进一步地，代理无人机自身的位移参数以及代理无人机之间、代理无人机与目标无人机之间的距离参数，表示为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式 2代表编号为 i 的代理无人机在 k 时刻的位移，表示编号为i 的代理无人机与编号为 j 的代理无人机/目标无人机在 k 时刻的欧几里得距离；位移和距离可以通过两个代理无人机的机载传感器测量，，表 示编号为i 的代理无人机的位置、 编号为 j 的代理无人机/目标无人机的位置。
14.与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：1.本发明创新地将目标无人机的运动学模型用非线性系统代替，同时验证了其是稳定可行的；2.本发明创新地设计两个不同坐标系情况下的代理无人机的位置估计，并且通过误差分析验证其收敛性快，误差小； 3.本发明创新地设计了反同步围剿控制器，实现了快速的围剿效果； 4.本发明从数据角度分析，所需要的仅有距离测量，与目标无人机的无交互，并且代理无人机的独立性高，环境适应性更强；5.本发明仅有距离测量，从硬件上考虑，所需要的资源更少，同时计算复杂度更低。
附图说明
15.图1为距离测量示意图；
图2为在同一坐标系下的围剿仿真图；图3为在不同坐标系下的围剿仿真图；图4为本发明的实现流程图；图5为本发明的gazebo仿真图；图6为仿真轨迹图；图7为统一坐标系的误差图；图8为不同坐标系的误差图。
具体实施方式
16.本发明提出了一种基于距离测量的无人机围剿方法，与现有的研究不同的是，一方面，本发明将围剿目标定于成一个完全未知的非线性模型进行估计，另一方面，针对围剿目标，仅使用距离测量，顶替了过往研究中需要围剿目标与围剿者之间建立通信这样的不合常理的方法。同时，针对代理无人机间的定位问题，就实际情况考虑了代理无人机间是否在统一坐标系上分别做出不同的位置估计器建模，更好的根据实际应用中的情况下进行。最后，设计了一个新的自适应围剿控制器，实现了两个代理无人机与目标形成一条直线持续包围，而且验证了他的快速性和稳定性，同时在实验中得到了很好的验证。
17.参见附图，本发明的一种基于距离测量的无人机围剿方法，包括以下步骤：首先，确定代理无人机和目标无人机的动力学模型；其次，在代理无人机的坐标系统一的前提下，代理无人机实时获取自身的位移参数以及代理无人机之间、代理无人机与目标无人机之间的距离参数，结合所述动力学模型，构建代理无人机与目标无人机位置的位置关系模型，并构建对目标无人机的位置估计器；最后，利用位置估计器结合代理无人机到目标无人机之间的相对估计位置，通过预设的自适应围剿控制器，结合预设的针对于目标无人机的围剿轨迹的半径 以及轨迹控制频率、控制器增益，得到代理无人机的速度控制指令，代理无人机根据所述速度控制指令围剿目标无人机。
18.本发明的具体设计过程说明如下：1.确定代理无人机和目标无人机的动力学模型。
19.在本发明中，多无人机包含一个目标无人机和两个代理无人机；这两个代理无人机的任务是在相对距离测量值的基础上，对位置未知的目标无人机进行协同估计和包围。
20.首先将两个代理无人机的位置模型建立为离散时间动力学系统：
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式1其中,为代理无人机i在k时刻的位置，r代表实数集，n代表维度。为自适应围剿控制器给出的代理无人机i速度控制指令，满足；和分别为预设的代理无人机速度差的最小值和最大值，t是采样周期。
21.目标无人机的位置和模型都是未知的；目标无人机在下文公式以下标为0进行代替，而两个代理无人机公式中以下标为1,2进行代替。
22.2.设计无人机的位置估计器模型
在本方案中，假设k时刻目标无人机的位置为，这个位置对两个代理无人机是未知的，仅知道他们与目标无人机之间的相对距离测量值，相对距离测量值在实际中可以通过uwb模块直接测量、rgbd的深度信息或者通过双目相机做视差获得。此外，在初始围剿开始前阶段，两个代理无人机同步在同一个坐标系中；接下来，本方案将设计目标位置估计器和围剿控制器，以保证任务的准确性和收敛性。
23.2.1 构建代理无人机与目标无人机之间的位置关系模型先将所需要的位移参数和距离参数进行数学表达，其中位移参数指的是代理无人机自身的每两个时间的位置差，距离参数分别指的是代理无人机之间、代理无人机与目标无人机之间的距离。
24.在实际中无人机中的位移数据可通过imu结合光流传感器或其他定位的传感器、定位算法计算；距离值在实际中可以通过uwb模块直接测量、rgbd的深度信息或者通过双目相机做视差获得。
25.位移参数和距离参数的数学表示如下：
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式2代表编号为i的代理无人机在k时刻的位移，表示编号为i的代理无人机与编号为j的代理无人机/目标无人机在k时刻的欧几里得距离；位移和距离可以通过两个代理无人机的机载传感器测量，，表示编号为i的代理无人机的位置、编号为j的代理无人机/目标无人机的位置，其中代理无人机i到其他编号为j的代理无人机/目标无人机的相对位置可以表示为，以下同理，根据和，得到了代理无人机与目标无人机位置的位置关系模型：式3其中，代表代理无人机i与目标无人机0的相对距离，代表代理无人机i与目标无人机0的相对距离，和分别表示代理无人机1和代理无人机2的初始位置，、表示代理无人机1、2的位移积分量，表示积分过程中的变量参数，=0，
…
，k-1。
26.2.2 设计对目标无人机的位置估计器在本方案中，两个代理无人机在同一个坐标系中；对于不在同一坐标系内的情况，两个代理无人机在估计目标无人机位置时必须统一起来，即先将一个代理的坐标系统一进另一个代理的坐标系中。在实际应用中，一方面可以通过布置基站，将两个代理无人机安置标签以统一为一个坐标系；也可以一个代理无人机为参考坐标系，另一个只需确定其初始相对于参考坐标系的初始状态，结合自身的计算的状态与初始状态通过一个旋转矩阵便可
换算到参考坐标系上，由此实现两个代理无人机坐标系统一。
27.如果代理无人机1和代理无人机2在同一坐标系中，在这种情况下，通过传递两个代理无人机之间的位移和初始位置，可以直接得到相对位置；结合式3便可以设计目标无人机的位置估计器；表示目标无人机在k时刻位置估计量，则变量表示：
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式4其中，上标t表示转置操作，下同。
28.因此，对目标无人机的位置便可通过估计量进行估计，位置估计器表示为：
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式 5其中是估计增益，可以表示为：
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式6其中，目标无人机在k时刻的协方差矩阵，n表示维度；根据卡尔曼滤波结构定义为:
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式7其中表示指数遗忘因子和表示信息利用因子。表示n维的单位矩阵，表示上一个时刻的协方差矩阵。
29.3.自适应围剿控制器设计为了利用两个代理无人机快速围剿目标，控制器的设计需要保证代理无人机1和代理无人机2在以目标无人机为中心的圆形围剿轨迹上对称运动。
30.基于位置估计量，可得到代理无人机1、代理无人机2到目标无人机的相对估计位置为；其中，如果位置与代理无人机1的位置不在同一坐标系中，则先统一坐标系。
31.因此，本方案设计一个自适应围剿控制器：
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式8其中为设计的控制器增益，满足，t为采样周期；是预先设定的围剿轨迹，这是人为给定，例如，上标t表示转置；使代理无人机1和代理无人机2持续围剿目标，满足，代表围剿轨迹的周期应满
足，r是代理无人机1和代理无人机2轨迹的半径；是围剿的轨迹控制频率，当围剿控制器满足，时，控制误差是快速收敛的。和是自适应围剿控制器给出的代理无人机1和代理无人机2的速度控制指令。
32.图1展示距离测量示意图；图2展示了在同一坐标系下的围剿仿真图；图3展示了在不同坐标系下的围剿仿真图，证明了本方法是理论可行的；图4给出本发明的实现流程图；图5为本发明的gazebo仿真图；图6展示了无人机的飞行轨迹图，证明本方法是实际可行；图7和图8为统一坐标系、不同坐标系的误差图。
33.综上所述，本发明对围剿目标只需要距离测量，同时围剿的目标是一个动态的物体，因此对环境的适应性更强，如图2，3所示，本发明考虑实际不同情况下代理无人机协同合作围剿，应用起来更具有广泛性。从仿真实验到物理实验，如图7，8，本发明对围剿反同步实验的误差小，响应快。
34.以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。