基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法技术

本公开提供一种基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法，使N架无人机从其各自的初始位置，以任意初始速度出发，围绕同一个圆心以不同的半径做圆周运动，且达到稳定状态时，N架无人机进入同步监视模式或平衡监视模式。本公开提供的基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法，能够使多架无人机进行协同作业，增强巡视效果并提升系统可靠性。

Multi-UAV Cooperative Target Surveillance Control Method Based on Cluster Control

The present disclosure provides a cooperative target surveillance control method for multi-UAV based on cluster control, which enables N UAVs to enter synchronous surveillance mode or balanced surveillance mode when they move around the same circle center with different radius from their respective initial positions and at any initial speed, and reach a stable state. The cooperative target surveillance control method based on cluster control provided in the present disclosure can enable multiple UAVs to cooperate with each other, enhance the inspection effect and enhance the reliability of the system.

【技术实现步骤摘要】
基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法
本公开涉及多无人机集群控制
，尤其涉及一种基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法。
技术介绍
采用无人机对某一固定目标进行绕飞具有广泛的应用。在军用领域，即可用于对敌方军事目标的侦察监视，也可用于对我方人员的提供空中支援与保护；在民用领域，搭载图像采集设备的无人机已广泛应用于对电塔等目标的巡检。若采用多个无人机绕某一固定目标以不同的半径进行绕飞，这样形成内环与外环，军事上外环无人机可作为防御无人机，内环无人机用于实际工作，民用上外环也可作为内环无人机的备份与协助，提高系统可靠性与工作效率。现有技术中的绕飞方案一般采用一架无人机对目标进行绕飞，或多架无人机编队控制。然而在实现本公开的过程中，本申请专利技术人发现，采用一架无人机对目标进行绕飞，其工作效率与系统可靠性远远低于多架无人机绕飞，此外，该方案中大多是通过工作人员手动遥控，即使有少量的自动化巡视方案，其自主化程度也不高；多无人机编队控制虽然是多无人机协同自主飞行，但其编队形式大多是三角编队等，即使有圆周编队也无法实现对无人机相位(航向角)的协同控制，即无法实现让所有无人机做圆周运动的同时还能让它们的相位保持同步状态(所有无人机具有相同的航向角)或平衡状态(所有无人机的航向角均匀的分布在一个圆周上)。公开内容(一)要解决的技术问题基于上述技术问题，本公开提供一种基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法，以缓解现有技术中的无人机控制方案大多通过工作人员手动操控，自主化程度地，无法实现让所有无人机做圆周运动的同时还能让它们的相位保持同步状态或平衡状态的技术问题。(二)技术方案本公开提供一种基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法，使N架无人机从其各自的初始位置，以任意初始速度出发，围绕同一个圆心以不同的半径做圆周运动，且达到稳定状态时，N架所述无人机进入同步监视模式或平衡监视模式，N≥2，包括：步骤A：建立目标方程，使所述目标方程求出极小值时N架所述无人机的相位达到期望的相位分布；步骤B：求取该目标方程取得极小值过程中的下降方向；步骤C：基于该下降方向，设计N架所述无人机的控制率；步骤D：迭代计算所述控制率，将所述目标方程对应的控制率发送至N架所述无人机；步骤E：重复步骤D，直至N架所述无人机终止监视模式。在本公开的一些实施例中，所述步骤A中，所述目标方程由以下多个方程定义：其中，zm＝xm+iym，m＝1，...，N，c＝[c1，...，cN]T，cm表示N架所述无人机中第m架无人机以固定的巡航速度vm和角频率ωc进行圆周运动时，该圆形轨迹的圆心，θ＝[θ1，...，θN]T，θ的每一个元素对应每个无人机的相位角；当FC(θ)取得极小值时，N架所述无人机围绕一个共同的圆心做圆周运动，当fpθ(θ)到达其惟一的极大值点时，N架所述无人机进入同步监视模式，当fpθ(θ)到达其惟一的极小值点时，N架所述无人机进入平衡监视模式。在本公开的一些实施例中，所述步骤A中：同步监视模式下的目标方程如下所示：其中：当FA(θ)取得极小值时，FC(θ)取得极小值，且到达其惟一的极大值点；平衡监视模式下的目标方程如下所示：其中：当FB(θ)取得极小值时，FC(θ)取得极小值，且到达其惟一的极小值点；其中，在本公升的一些实施例中，所述步骤B中，根据Levenberg-Marquardt算法，求取该目标方程取得极小值过程中的下降方向。在本公开的一些实施例中，所属步骤B中：同步监视模式下的目标方程的下降方向如下式所示：其中，JA为fA(θ)的一阶偏导数，平衡监视模式下的目标方程的下降方向如下式所示：其中，JB为fB(θ)的一阶偏导数，在本公开的一些实施例中，所述步骤C中：同步监视模式下的控制率如下式所示：θk+1＝θk+dA，k+ωc平衡监视模式下的控制率如下式所示：θk+1＝θk+dB，k+ωc其中，ωc为N个无人机最终期望的做圆周运动的角速度，k+1、k表示N架所述无人机的第k+1和k次采样时刻。在本公开的一些实施例中，所述步骤D包括：步骤D1：参数初始化，包括：设定每架所述无人机的巡航速度vm与角频率ωc，m＝1，2，...，N，令k＝0；步骤D2：令k＝k+1；步骤D3：将所述步骤C设计的控制率进行迭代运算；步骤D4：若所述目标方程的函数值没有减小，更新阻尼系数，并返回步骤D3重新进行迭代运算，否则进入步骤D5；步骤D5：若目标方程的函数值取得极小值，将此时得出的控制率反馈至N架所述无人机，并返回步骤D2，否则继续执行迭代运算。在本公开的一些实施例中，其中：所述步骤D1中，参数初始化还包括：令β∈(0，1)；所述步骤D4中，令Fnew＝F(θk+1)，所述目标方程的函数值没有减小的判断依据为：Fnew＞F(θk)+βgT(θk)dk。在本公开的一些实施例中，其中：所述步骤D1中，参数初始化还包括：令阻尼系数μ＞0，υ＞1：所述步骤D4中，更新阻尼系数的方式为：令μ＝μ*υ。在本公开的一些实施例中，其中：所述步骤D1中，参数初始化还包括：设定精度参数eps，且令其逼近于0；所述步骤D5中，令tol＝||dk||；所述目标方程的函数值取得极小值的判断依据是：tol≤eps。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：(1)本公开提供的基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法，能够使多架无人机进行协同作业，增强巡视效果(多架无人机协同巡视，可以弥补一架无人机巡视精度不够的缺点)并提升系统可靠性(即使某架无人机出现问题仍有其他无人机可以正常工作)；(2)本公开提供的基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法相比于现有技术中的手动遥控方案自主化程度高；(3)本公开提供的基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法能够使所有无人机做圆周运动的同时还能让它们的相位保持同步状态或平衡状态，而这两种相位分布相比于仅使用多架无人机绕飞而没有相关相位协同具有各自优势，比如，若多架无人机具有同步相位分布，内圈的无人机可以用来执行任务，外圈的无人机可以用来保护内圈的无人机，执行外围警戒；若多架无人机具有平衡相位分布，这种具有平衡相位分布的协同绕飞可以用来保护圆心位置上的目标，因多架无人机在多个同心圆上以均匀分布的相位飞行，大大增加了敌方无人机突防攻击的难度；(4)本公开提供的基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法可用于电力巡检领域的对电塔进行绕飞检测，军用领域对敌方军事目标进行侦察监视等应用场景中。附图说明图1为本公开提供的基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法的步骤流程图。图2为本公开提供的基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法的运算逻辑结构图。图3为利用本公开提供的基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法控制3架无人机实现同步监视模式的仿真结果图。图4为利用本公开提供的基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法控制2架无人机实现平衡监视模式的仿真结果图。具体实施方式本公开提供的基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法能够使多架无人机进行协同作业，增强巡视效果并提升系统可靠性。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法，使N架无人机从其各自的初始位置，以任意初始速度出发，围绕同一个圆心以不同的半径做圆周运动，且达到稳定状态时，N架所述无人机进入同步监视模式或平衡监视模式，N≥2，包括：步骤A：建立目标方程，使所述目标方程求出极小值时N架所述无人机的相位达到期望的相位分布；步骤B：求取该目标方程取得极小值过程中的下降方向；步骤C：基于该下降方向，设计N架所述无人机的控制率；步骤D：迭代计算所述控制率，将所述目标方程对应的控制率发送至N架所述无人机；步骤E：重复步骤D，直至N架所述无人机终止监视模式。

【技术特征摘要】
1.一种基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法，使N架无人机从其各自的初始位置，以任意初始速度出发，围绕同一个圆心以不同的半径做圆周运动，且达到稳定状态时，N架所述无人机进入同步监视模式或平衡监视模式，N≥2，包括：步骤A：建立目标方程，使所述目标方程求出极小值时N架所述无人机的相位达到期望的相位分布；步骤B：求取该目标方程取得极小值过程中的下降方向；步骤C：基于该下降方向，设计N架所述无人机的控制率；步骤D：迭代计算所述控制率，将所述目标方程对应的控制率发送至N架所述无人机；步骤E：重复步骤D，直至N架所述无人机终止监视模式。2.根据权利要求1所述的基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法，所述步骤A中，所述目标方程由以下多个方程定义：其中，zm＝xm+iym，m＝1，...，N，c＝[c1，...，cN]T，cm表示N架所述无人机中第m架无人机以固定的巡航速度vm和角频率ωc进行圆周运动时，该圆形轨迹的圆心，θ＝[θ1，...，θN]T，θ的每一个元素对应每个无人机的相位角；当FC(θ)取得极小值时，N架所述无人机围绕一个共同的圆心做圆周运动，当到达其惟一的极大值点时，N架所述无人机进入同步监视模式，当到达其惟一的极小值点时，N架所述无人机进入平衡监视模式。3.根据权利要求2所述的基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法，所述步骤A中：同步监视模式下的目标方程如下所示：其中：当FA(θ)取得极小值时，FC(θ)取得极小值，且fpθ(θ)到达其惟一的极大值点；平衡监视模式下的目标方程如下所示：其中：当FB(θ)取得极小值时，FC(θ)取得极小值，且到达其惟一的极小值点；其中，4.根据权利要求3所述的基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法，所述步骤B中，根据Levenberg-Marquardt算法，求取该目标方程取得极小值过程中的下降方向。5.根据权利要求4所述的基于集群控制的多无人机协同目标监视控制方法，所属步骤B...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦家虎，王帅，陈宇航，郑景文，林奕爽，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34