基于人工势场法的四旋翼无人机集群控制方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于人工势场法的四旋翼无人机集群控制方法及其装置，该方法包括以下步骤：步骤S100：采用M架四旋翼无人机组成四旋翼无人机集群，根据四旋翼无人机集群编队构型，设定集群各内部成员的期望位置和速度矢量，建立第i内部成员的运动学方程；步骤S200：根据期望位置、速度矢量、运动学方程和运动类型，基于人工势场法构建第i内部成员的速度控制函数，步骤S300：采用各速度控制函数控制各内部成员进行运动类型的运动。该控制方法具有易于实现，实时性好和编队控制效果良好的效果，适用于大规模的四旋翼无人机集群控制，能实现集群的编队、朝向目标运动以及避障。本发明专利技术的又一方面还提供了上述方法用的装置。

【技术实现步骤摘要】
基于人工势场法的四旋翼无人机集群控制方法及其装置
本专利技术涉及一种基于人工势场法的四旋翼无人机集群控制方法及其装置，属于控制领域。
技术介绍
随着无人机应用领域不断拓展，任务类型越来越广泛，无人机的应用样式逐步从单平台向多平台“集群”方向发展。无人机集群既能形成协调有序的集体运动模式，又能快速、一致地应对外界刺激，具有分布式广、自组织性强、协调性高、稳定性强等特点，且对环境具有较强的适应能力。四旋翼无人机是一种具有四个旋翼轴的特殊无人驾驶旋翼飞行器，其通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生升推力。旋翼的总距固定，通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹，具有操控性强，可垂直起降和悬停等特点。而随着无人机的任务环境日趋复杂，以及任务区域无人机规模和密度的不断上升，无人机集群的飞行控制以及安全将会面临一系列挑战，因此寻求一种鲁棒性强、一致性好、控制效果显著的无人机集群控制方法是现在亟待解决的一个问题。现在常用的无人机集群控制方法中人工势场法是通过构建全局势场函数，引导集群个体朝着势能降低的方向运动，具有简单实用、鲁棒性好等特点，虽然这种方法存在局部极值等问题，但可以通过优化势场函数来避免。上述现有控制方法均主要用于控制固定翼集群，对于灵活性高、可悬停的四旋翼无人机，上述控制方法控制精度低，难以实现集群式控制四旋翼无人机。
技术实现思路
根据本申请的一个方面，提供了一种基于人工势场法的四旋翼无人机集群控制方法，该方法考虑到四旋翼无人机具有灵活性高、可悬停、控制简单、可靠性强等特点，并且相对固定翼集群而言所受约束要少，控制更为简便，能够灵活应对各种任务，本专利技术提出了一种基于人工势场法的四旋翼无人机集群控制方法，该方法具有易于实现，实时性好和编队控制效果良好等优势，适用于大规模的四旋翼无人机集群控制。所述基于人工势场法的四旋翼无人机集群控制方法，包括以下步骤：步骤S100：采用M架四旋翼无人机组成所述四旋翼无人机集群，根据所述四旋翼无人机集群编队构型，设定集群各内部成员的期望位置和速度矢量，建立第i所述内部成员的运动学方程；步骤S200：根据所述期望位置、所述速度矢量、所述运动学方程和运动类型，基于人工势场法构建第i所述内部成员的速度控制函数，取i＝i+1后重复所述步骤S100～S200，直至i＝M，得到所有所述内部成员的速度控制函数；步骤S300：采用各所述速度控制函数控制各所述内部成员进行所述运动类型的运动；所述运动类型包括编队运动、朝向目标运动和避障运动中的至少一种。优选的，第i所述内部成员的速度控制函数vi表示如下：其中，χi表示第i所述内部成员的位置矢量，gij(·)表示各所述内部成员之间的相互作用函数，pE表示环境源位置矢量，gE(·)表示环境源矢量对各所述内部成员的作用函数，pa表示目标点位置矢量、ga(·)表示目标点位置矢量对各所述内部成员的作用函数。优选的，所述运动类型为编队运动时，第i所述内部成员的速度控制函数为：其中，χj表示第j所述内部成员的位置矢量，vi表示第i所述内部成员的速度矢量，pai表示第i所述内部成员的期望位置，ga(·)表示第i所述内部成员的所述期望位置对第i所述内部成员的吸引函数，表示为下：ga(χi-χj)＝-ka·exp(ea·||χi-χj||)·(χi-χj)(5)其中，ka、ea为第i所述内部成员与期望位置的吸引函数中用于调节吸引力的常数；gij(·)表示第i所述内部成员与第j所述内部成员之间的吸引/排斥函数，表示如下：其中，aij为大于0的常数，用于调节第i所述内部成员与第j所述内部成员之间的吸引/排斥函数的幅值，bij、cij、dij均为设定为大于0的常数，用以确定第i所述内部成员与第j所述内部成员之间的平衡距离，aij设定为大于0的常数。优选的，所述运动类型为朝向目标运动时，第i所述内部成员的速度控制函数为：其中，χL表示虚拟领队的位置矢量，gi(·)表示第i内部成员与所述虚拟领队之间的吸引/排斥函数，表示如下：其中，ai＞0，δi为第i内部成员与虚拟领队之间的平衡距离。优选的，当所述运动类型为朝向目标运动时，在所述四旋翼无人机集群中设立虚拟领队，各所述内部成员以编队构型跟随虚拟领队朝向目标运动。优选的，所述运动类型为避障运动时，第i所述内部成员的速度控制函数为：其中，N为集群运动区域所遇障碍或不利环境源的数量，表示第k个排斥环境源与第i内部成员之间的排斥源势场函数，为排斥环境源位置矢量，χj表示第j所述内部成员的位置矢量。优选的，所述排斥源势场函数gE(||y||)＝-y[J5(||y||)+J6(||y||)+J7(||y||)+J8(||y||)](10)其中，J5(||y||)为线性排斥函数，表示如下：其中，m3和m4为满足m3＞0，m4＜0的常数，则当时，线性排斥源对第i所述内部成员产生排斥作用；J6(||y||)为指数排斥函数，表示如下：其中，k>0，n3和n4为满足n3＜0，n4＜0的常数，当时，所述指数排斥源对第i所述内部成员产生排斥作用；J7(||y||)为对数排斥函数，表示如下：其中，q3、q4为满足p3＞0，p4＜0的常数，当0＜||y||＜p3时，对数排斥源对第i所述内部成员产生排斥作用；J8(||y||)为倒数排斥函数，表示如下：其中，q3、q4为满足q3＜0、q4＞0的常数。优选的，第i所述内部成员的速度vi满足如下约束：其中，Vmax表示所述内部成员所能达到的速度极限。优选的，所述第i所述内部成员的运动学方程为：其中，vi表示第i所述内部成员的速度矢量。本专利技术的又一方面提供了一种如上述控制方法所用的装置，包括：运动学方程模块，用于采用M架四旋翼无人机组成所述四旋翼无人机集群，根据所述四旋翼无人机集群编队构型，设定集群各内部成员的期望位置和速度矢量，建立第i所述内部成员的运动学方程；函数模块，用于根据所述期望位置、所述速度矢量、所述运动学方程和运动类型，基于人工势场法构建第i所述内部成员的速度控制函数，取i＝i+1后返回所述运动学方程模块和所述函数模块，直至i＝M，得到所有所述内部成员的速度控制函数；运动控制模块，用于采用各所述速度控制函数控制各所述内部成员，进行所述运动类型的运动；所述运动类型包括编队运动、朝向目标运动和避障运动中的至少一种。本专利技术的有益效果包括但不限于：(1)本专利技术所提供的基于人工势场法的四旋翼无人机集群控制方法及其装置，通过先建立无人机集群动力学模型，之后设计基于人工势场法的四旋翼无人机集群控制算法，该控制方法用于编队四旋翼无人机集群，具有易于实现，广泛适用，实时性好和编队控制效果良好等优点，适用于对100架以上四旋翼无人机组成的集群进行控制。(2)本专利技术所提供的基于人工势场法的四旋翼无人机集群控制方法及其装置，该方法包括四旋翼无人机集群的编队控制、朝向目标的运动控制以及避障控制算法设计，适用于无人机的编队控制、朝向目标的运动控制以及避障控制，且控制方法简单实用。(3)本专利技术所提供的基于人工势场法的四旋翼无人机集群控制方法及其装置，通过仿真试验了该控制方法，仿真实验结果表明，该方法在无人机集群的编队控制、朝向目标的运动控制以及避障控制方面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于人工势场法的四旋翼无人机集群控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S100：采用M架四旋翼无人机组成所述四旋翼无人机集群，根据所述四旋翼无人机集群编队构型，设定集群各内部成员的期望位置和速度矢量，建立第i所述内部成员的运动学方程；步骤S200：根据所述期望位置、所述速度矢量、所述运动学方程和运动类型，基于人工势场法构建第i所述内部成员的速度控制函数，取i＝i+1后重复所述步骤S100～S200，直至i＝M，得到所有所述内部成员的速度控制函数；步骤S300：采用各所述速度控制函数控制各所述内部成员进行所述运动类型的运动；所述运动类型包括编队运动、朝向目标运动和避障运动中的至少一种，第i所述内部成员的速度控制函数vi表示如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于人工势场法的四旋翼无人机集群控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S100：采用M架四旋翼无人机组成所述四旋翼无人机集群，根据所述四旋翼无人机集群编队构型，设定集群各内部成员的期望位置和速度矢量，建立第i所述内部成员的运动学方程；步骤S200：根据所述期望位置、所述速度矢量、所述运动学方程和运动类型，基于人工势场法构建第i所述内部成员的速度控制函数，取i＝i+1后重复所述步骤S100～S200，直至i＝M，得到所有所述内部成员的速度控制函数；步骤S300：采用各所述速度控制函数控制各所述内部成员进行所述运动类型的运动；所述运动类型包括编队运动、朝向目标运动和避障运动中的至少一种，第i所述内部成员的速度控制函数vi表示如下：其中，χi表示第i所述内部成员的位置矢量，gij(·)表示各所述内部成员之间的相互作用函数，pE表示环境源位置矢量，gE(·)表示环境源矢量对各所述内部成员的作用函数，pa表示目标点位置矢量、ga(·)表示目标点位置矢量对各所述内部成员的作用函数。2.根据权利要求1所述的基于人工势场法的四旋翼无人机集群控制方法，其特征在于，所述运动类型为编队运动时，第i所述内部成员的速度控制函数为：其中，χj表示第j所述内部成员的位置矢量，vi表示第i所述内部成员的速度矢量，pai表示第i所述内部成员的期望位置，ga(·)表示第i所述内部成员的所述期望位置对第i所述内部成员的吸引函数，表示为下：ga(χi-χj)＝-ka·exp(ea·||χi-χj||)·(χi-χj)(5)其中，ka、ea为第i所述内部成员与期望位置的吸引函数中用于调节吸引力的大于0的常数；gij(·)表示第i所述内部成员与第j所述内部成员之间的吸引/排斥函数，表示如下：其中，aij设定为大于0的常数，用于调节第i所述内部成员与第j所述内部成员之间的吸引/排斥函数的幅值，bij、cij、dij均为设定为大于0的常数，用以确定第i所述内部成员与第j所述内部成员之间的平衡距离。3.根据权利要求1所述的基于人工势场法的四旋翼无人机集群控制方法，其特征在于，所述运动类型为朝向目标运动时，第i所述内部成员的速度控制函数为：其中，χL表示虚拟领队的位置矢量，gi(·)表示第i内部成员与所述虚拟领队之间的吸引/排斥函数。4.根据权利要求3所述的基于人工势场法的四旋翼无人机集群控制方法，其特征在于，所述吸引/排斥函数gi(·)表示如下：其中，ai＞0，δi为第i内部成员与虚拟领队之间的平衡距离。5.根据权利要求3所述的基于人工势场法的四旋翼无人机集群控...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨雪榕，吕永申，姚静波，辛朝军，陈超，单上求，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京,11