(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911092528.5
(22)申请日 2019.11.11
(71)申请人 西北工业大学
地址 710072 陕西省西安市友谊西路127号
(72)发明人 刘伯健 李爱军 杨庶
(74)专利代理机构 西北工业大学专利中心
61204
代理人 刘新琼
(51)Int.Cl.
G05D 1/10(2006.01)
(54)发明名称一种防止机间碰撞的固定翼无人机编队的控制方法(57)摘要本发明涉及一种防止机间碰撞的固定翼无人机编队的控制方法，采用一致性理论作为基础，同时结合斥力场、对位算法等，实现防止机间碰撞的固定翼无人机编队任务。具体包括以下步骤：1、获得无人机的位置信息和所需形成队形 的相对位置信息；2、通过对位算法求解每架无人机在所需形成新队形中的位置；3、以一致性理论为基础，引入斥力场，设计无人机编队的速度指令信号；4、建立六自由度固定翼无人机模型并设计无人机编队控制律。本发明以六自由度固定翼无人机模型为基础设计编队控制律，相比现有大部分质点模型编队算法更加贴近工程实际；同时设计了斥力场、对位算法，从而有效解决了编队中
的机间碰撞问题。权利要求书2页 说明书14页 附图4页CN 110673648 A 2020.01.10
C N 110673648
A
1.一种防止机间碰撞的固定翼无人机编队的控制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：通过GPS或者其他手段，获得各架无人机的三维位置信息；设计编队队形，获得队形中各个位置相对于虚拟领航者的相对距离信息；
步骤2：通过对位算法和步骤1中获得的数据，解算出每架无人机所对应的新队形中的位置：
2a：以所有无人机的几何中心为原点，X、Y、Z轴分别以倍翼展为轴向最小区间，将空间网格化，并对每一个网格进行三维坐标编号，三维网格坐标均是整数；
2b：将各个无人机在地面系下的坐标映射到网格空间中，获得各个无人机对应三维网格坐标系下的坐标：
(X i,Y i,Z i)→(X wi,Y wi,Z wi) i＝1,2,...,n (1)
其中(X i,Y i,Z i)表示第i架无人机在地面坐标系下的坐标，(X wi,Y wi,Z wi)表示第i架无人机在网格坐标系下对应的坐标；
2c：将新队形中的各个位置相对于虚拟领航者的期望相对距离向量转换到网格坐标系下：
(dX j,dY j,dZ j)→(dX wj,dY wj,dZ wj) j＝1,2,...,n (2)
其中(dX j,dY j,dZ j)表示新队形中某一位置j，在地面坐标系下与虚拟领航者的期望相对距离，(dX wj,dY wj,dZ wj)表示新队形中某一位置j，在网格坐标系下与虚拟领航者的期望相对距离；
2d：将无人机与队形位置进行排序对位；首先按照X wi的大小将无人机从1到n编号，如果无人机的X wi相等，再按照Y wi的大小排列，以此类推，优先级按照X wi→Y wi→Z wi；对n架无人机进行排序编
号，每架无人机获得自己的编号S i i∈1,2,...n；然后按照同样的方法对新队形的n个位置进行排序，优先级需与无人机优先级相同，新队形中每个位置获得自己的编号S wi i∈1,2,...n；则拥有相同编号的无人机与队形位置匹配，即该无人机飞往匹配的队形位置；
步骤3：以一致性做为理论基础，同时引入本发明设计的斥力场信号，设计出无人机编队的速度指令信号：
其中表示第i架无人机和第j架无人机之间的斥力，表示第i架无人机
受到的斥力指令信号，m是无人机质量，是一个控制参数，为两架无人机的距离，kq是正参数，用来调节曲线弯曲度，bc表示斥力场范围半径与翼展的比值，b表示翼展长度；
则无人机编队的速度指令信号为：
V Di＝ΔV ci+V di (4)
其中是由一致性协议所求出的速度指令，是一致性协议与斥力场结合
所获得的最终的速度指令信号；
步骤4：得到步骤3设计的速度指令后，以固定翼无人机的六自由度模型为基础，设计无人机的非线性控制器：
其中T ci是发动机推力输入，m是无人机质量，D是阻力，γ是航迹倾斜角，αci是期望攻角，
是期望无人机速度的导数，K Si，λSi∈(0,1)是控制参数，x1i＝[θi φi ψi]T，x2i＝[q i
p i r i]T，x1Di＝[θDi φDi ψDi]T，e oi＝x1i-x1Di，δcοi是舵偏输入；
p,q,r是机体坐标系下无人机转动角速度的三轴分量，φ,ψ,θ分别表示无人机的滚转角、偏航角、俯仰角，
c5＝I z-I x/I y，c6＝I x z/I y，c7＝1/I y，
I xz、I x、I y、I z表示无人机对应的转动惯量，L,M,N表示无人机机体三轴所受力矩，δοi＝[δei δai δri]T表示三个舵偏角。
一种防止机间碰撞的固定翼无人机编队的控制方法
技术领域
[0001]本发明属于无人机编队控制技术领域，具体的说，涉及固定翼无人机防止机间碰撞的编队控制方法。
背景技术
[0002]自从无人机在1991年的海湾战争中得到成功运用以来，经过几十年的发展，无人机技术已相对成熟，并在各个领域中发挥了其独特的作用。尽管如此，单架无人机执行任务时仍存在问题。为了尽可能地发挥单架无人机的作用，实现多无人机协同编队飞行的控制、决策和管理，从而提高无人机完成任务的效率，拓宽无人机使用范围，达到安全、高可靠性地执行各种任务的目的，无人机编队方案应运而生。由于编队控制理论在多智能体领域的应用逐步成熟和其在军事、民用领域的广大应用前景，无人机的编队控制也成为了近年来的热点。在编队控制发展迅猛的今天，科研人员进行了许多基于多智能体的编队控制理论研究，取得了长足的进步。然而，现有大量的编队研究均是基于简单二阶系统或可以进行定点悬停的旋翼飞行器，而对于可以实际应用在固定翼飞行器编队控制的算法研究上，仍有很大空间，还有很多问题仍需解决。
[0003]一致性理论作为编队算法中比较成熟的算法，有其独特的优势。它能通过无人机之间的信息传递，将自己和其他无人机的相对位置进行融合解算，最终达到形成无人机编队的目的。近年来，科研人员对一致性理论的研究方向有考虑时间延迟问题、有限时间收敛问题等，取得很多成绩。然而，一致性理论仍存在一些不足之处，比如单纯运用一致性理论不能避免碰撞问题、对于固定翼飞行器编队应用困难问题等。因此，防止机间碰撞的固定翼无人机编队控制的研究具有重要的现实意义。
发明内容
[0004]要解决的技术问题
[0005]为了解决现有基于多智能体编队算法和六自由度固定翼无人机控制难结合的问题，本发明提出一种防止机间碰撞的固定翼无人机编队的控制方法。
[0006]技术方案
[0007]一种防止机间碰撞的固定翼无人机编队的控制方法，其特征在于步骤如下：[0008]步骤1：通过GPS或者其他手段，获得各架无人机的三维位置信息；设计编队队形，获得队形中各个位置相对于虚拟领航者的相对距离信息；
[0009]步骤2：通过对位算法和步骤1中获得的数据，解算出每架无人机所对应的新队形中的位置：
[0010]2a：以所有无人机的几何中心为原点，X、Y、Z轴分别以倍翼展为轴向最小区间，将空间网格化，并对每一个网格进行三维坐标编号，三维网格坐标均是整数；
[0011]2b：将各个无人机在地面系下的坐标映射到网格空间中，获得各个无人机对应三维网格坐标系下的坐标：
[0012](X i,Y i,Z i)→(X wi,Y wi,Z wi)i＝1,2,...,n (1)
[0013]其中(X i,Y i,Z i)表示第i架无人机在地面坐标系下的坐标，(X wi,Y wi,Z wi)表示第i架无人机在网格坐标系下对应的坐标；
[0014]2c：将新队形中的各个位置相对于虚拟领航者的期望相对距离向量转换到网格坐标系下：
[0015](dX j,dY j,dZ j)→(dX wj,dY wj,dZ wj)j＝1,2,...,n (2)
[0016]其中(dX j,dY j,dZ j)表示新队形中某一位置j，在地面坐标系下与虚拟领航者的期望相对距离，(dX wj,dY wj,dZ wj)表示新队形中某一位置j，在网格坐标系下与虚拟领航者的期望相对距离；
[0017]2d：将无人机与队形位置进行排序对位；首先按照X wi的大小将无人机从1到n编号，如果无人机的X wi相等，再按照Y wi的大小排列，以此类推，优先级按照X wi→Y wi→Z wi；对n架无人机进行排序编号，每架无人机获得自己的编号S i i∈1,2,...n；然后按照同样的方法对新队形的n个位置进行排序，优先级需与无人机优先级相同，新队形中每个位置获得自己的编号S wi i∈1,2,...n；则拥有相同编号的无人机与队形位置匹配，即该无人机飞往匹配的队形位置；
[0018]步骤3：以一致性做为理论基础，同时引入本发明设计的斥力场信号，设计出无人机编队的速度指令信号：
[0019]
[0020]其中表示第i架无人机和第j架无人机之间的斥力，表示第i架无
人机受到的斥力指令信号，m是无人机质量，是一个控制参数，为两架无人机的距离，kq是正参数，用来调节曲线弯曲度，bc表示斥力场范围半径与翼展的比值，b表示翼展长度；
[0021]则无人机编队的速度指令信号为：
[0022]V Di＝ΔV ci+V di (4)
[0023]其中是由一致性协议所求出的速度指令，是一致性协议与斥力场结合所获得的最终的速度指令信号；
[0024]步骤4：得到步骤3设计的速度指令后，以固定翼无人机的六自由度模型为基础，设计无人机的非线性控制器：
[0025]
[0026]
[0027]其中T ci是发动机推力输入，m是无人机质量，D是阻力，γ是航迹倾斜角，αci是期望攻角，是期望无人机速度的导数，K Si，λSi∈(0,1)是控制参数，x1i＝[θi φi ψi]T，x2i
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