一种多无人机协同跟踪目标的方法和系统技术方案

本申请公开了一种多无人机协同跟踪目标的方法和系统，包括：S1得到目标的速度和位置信息，广播给其他各无人机，接收其他无人机发送的目标的速度信息和位置信息并进行信息融合；S2多无人机各自根据融合后的目标的速度信息确定跟踪方式；S3多无人机各自根据自身以及其他无人机的导航信息、目标的速度、位置信息以及跟踪方式，计算最终制导矢量；S4多无人机各自更新目标的速度和位置信息，广播给其他无人机，接收其他无人机发送的目标信息并进行信息融合，返回S2。通过实时计算目标速度，确定跟踪方式，加强了跟踪能力，防止目标通过变速逃逸；通过冲突检测与制导矢量修正，规避飞行过程中的障碍或其他无人机，防止飞行碰撞与冲突，提高安全性。

A Method and System for Multi-UAV Cooperative Target Tracking

【技术实现步骤摘要】
一种多无人机协同跟踪目标的方法和系统
本申请涉及无人机自主航迹规划
，尤其涉及一种多无人机协同跟踪目标的方法和系统。
技术介绍
多无人机协同航迹规划技术，是根据各无人机的具体任务，在满足多类约束条件(平台性能约束，战场环境约束，任务协同约束)的前提下，为每架无人机规划出从起始点到目标点的可飞航迹，使其达到最优或较优的性能指标。与单无人机航迹规划相比，多机协同航迹规划需要协调处理各无人机航迹之间的相互关系，包括空间协调关系，时间协调关系和任务协调关系，使得多无人机系统能够在相同的任务空域内有效执行任务并保证飞行安全。多无人机协同目标跟踪，则以多架无人机对特定目标的协同跟踪为具体任务，通过为每架无人机规划适当的航线，在保证飞行安全的情况下，协同实现对目标在空间位置上的可靠跟踪。现有多无人机协同航迹规划研究以集中式规划为主，该类型规划方法需要多无人机系统中存在中心优化单元，即航迹规划节点所在的位置。该单元可通过无线通信获取系统中所有无人机的位置、速度等飞行状态信息和任务环境状况，并运用优化算法求解航迹优化问题。集中式规划对于求解无人机数目较少的小规模航迹规划问题十分有效，但随着无人机数目的增加，多机系统规模增大，需规划的航迹参数急剧增加，待求解优化问题将变得极其复杂；同时，对多无人机系统，很多情况下并不存在集中式规划节点，且无法保证全部无人机都能与规划节点可靠通信。中国已授权专利“无人机群协同跟踪目标的方法及系统”，其申请公布号为CN103197684A，其申请公布日为2013.07.10，其协同目标跟踪方法的流程如图1所示。该方案在建立无线通信网络的基础上，利用机载传感器获得目标的位置与特征信息，通过无线通信网络实现无人机位置信息和跟踪目标位置特征信息的集群内共享。该方案实现目标跟踪的关键在于步骤S104与S105中，通过计算势场合力控制无人机的协同跟踪行为。在势场合力小于安全阈值时，控制无人机跟踪；在势场合力大于安全阈值时，放弃跟踪。这种通过计算势场合力实现无人机集群协同跟踪的方法即为人工势场法。这一类方法存在的重要局限是，仅适用于旋翼无人机(在放弃跟踪的情况下需要有悬停动作)，而对固定翼无人机不再适用。而固定翼无人机相较于旋翼无人机，飞行速度上具有显著优势。在被跟踪目标速度较快的情况下，旋翼无人机很可能因为速度原因无法完成跟踪任务。中国已授权专利“一种具有持续锁定和跟踪目标能力的无人机系统与方法”，其申请公布号为CN105929850A，其申请公布日为2016.09.07，和专利“一种基于二维标签的无人机定位及目标跟踪方法”，其申请公布号为CN106197422A，其申请公布日为2016.12.07，都涉及比较类似的单架无人机对目标的跟踪方法，即根据目标与无人机之间的位置差，通过飞控系统回路调整无人机的飞行方向与速度，实现无人机对跟踪目标的跟踪。这种方法的不足在于，首先，这种方法仅适用于旋翼无人机，无法在固定翼无人机中进行应用；其次，这种方法仅考虑单无人机对目标的跟踪，而单架无人机在执行大范围的搜索与跟踪任务时效率较低，同时跟踪任务的可靠性也较差，一旦由于特殊因素失去目标，就难以再次寻找获得跟踪目标。综上所述，需要提供一种适用于多无人机，同时适用于固定翼无人机的，能够根据目标速度改变跟踪方式的多无人机协同跟踪目标的方法和系统。
技术实现思路
为解决以上问题，本申请提出了一种多无人机协同跟踪目标的方法和系统。一方面，本申请提出一种多无人机协同跟踪目标的方法，包括：S1第一无人机得到目标的速度信息和位置信息，并广播给其他各无人机，接收其他无人机发送的目标的速度信息和位置信息并进行信息融合；S2多无人机各自根据融合后的目标的速度信息确定跟踪方式；S3多无人机各自根据自身以及其他无人机的导航信息、目标的速度信息、位置信息以及所述跟踪方式，计算最终制导矢量；S4多无人机各自更新目标的速度信息和位置信息，并广播给其他各无人机，接收其他无人机发送的目标的速度信息和位置信息并进行信息融合，返回S2。优选地，S2中的确定跟踪方式，包括：若无人机当前未处于跟踪状态，且目标的速度大于中间速度，则所述无人机使用平飞跟踪方式；若无人机当前未处于跟踪状态，且目标的速度小于等于中间速度，则所述无人机使用盘旋跟踪方式；若无人机当前处于盘旋跟踪状态，且目标的速度大于等于最大阈值，则所述无人机使用平飞跟踪方式；若无人机当前处于平飞跟踪状态，且目标的速度小于等于最小阈值，则所述无人机使用盘旋跟踪方式。优选地，当跟踪方式为平飞跟踪方式时，计算最终制导矢量包括：计算参考制导矢量；检测冲突并采用虚拟势场计算修正角；根据修正角修正参考制导矢量，得到最终制导矢量。优选地，所述计算参考制导矢量使用加权方法。优选地，当所述跟踪方式为盘旋跟踪方式时，计算最终制导矢量包括：计算参考制导矢量；计算相位调整所需的制导矢量补偿，补偿参考制导矢量，得到补偿后的参考制导矢量；检测冲突并采用虚拟势场计算修正角；根据修正角修正补偿后的参考制导矢量，得到最终制导矢量。优选地，所述计算参考制导矢量使用李雅普诺夫矢量场制导方法。优选地，所述检测冲突并采用虚拟势场计算修正角，包括：监测安全飞行区，若检测到其他物体进入安全飞行区，则采用虚拟势场计算势场力；根据势场力计算修正角。优选地，所述中间速度为Vm，所述最大阈值为(Vm+δV)，所述最小阈值为(Vm-δV)，δV为过渡区间。第二方面，本申请提出一种多无人机协同跟踪目标的系统，包括：目标检测模块，用于计算目标的速度信息和位置信息，并发送至通信模块，根据其他无人机发送的目标的速度信息和位置信息进行信息融合；通信模块，将目标的速度信息和位置信息广播给其他各无人机，接收其他无人机发送的目标的速度信息和位置信息，发送至目标检测模块；跟踪模块，用于根据融合后的目标的速度信息确定跟踪方式，根据自身以及其他无人机的导航信息、目标的速度信息、位置信息以及所述跟踪方式，计算最终制导矢量。优选地，所述跟踪模块包括：平飞计算单元、盘旋计算单元和冲突检测单元；所述平飞计算单元，用于计算参考制导矢量，并发送所述参考制导矢量至冲突检测单元；所述盘旋计算单元，用于计算参考制导矢量，计算相位调整所需的制导矢量补偿，补偿参考制导矢量，得到补偿后的参考制导矢量，并发送所述补偿后的参考制导矢量至冲突检测单元；所述冲突检测单元，用于检测冲突并采用虚拟势场计算修正角，根据修正角修正接收到的参考制导矢量或补偿后的参考制导矢量，得到最终制导矢量。本申请的优点在于：通过对被跟踪目标的实时速度估计，实现无人机在平飞跟踪方式与盘旋跟踪方式之间平稳有效的切换，加强了跟踪能力，防止被跟踪目标通过变速逃逸；由于固定翼无人机在速度上的优势，以及多无人机协同跟踪，相比传统方法具有更好的跟踪任务完成能力；对静止或者低速运动目标，设计了基于李雅普诺夫矢量场制导的盘旋跟踪方法，实现固定翼无人机对被跟踪目标的盘旋跟踪；在多无人机协同盘旋跟踪过程中，使用多无人机协同相位调整方法，实现多无人机协同盘旋跟踪时的合理相位分布；对高速运动的目标，使用基于加权的平飞跟踪方法，实现无人机对高速运动目标的有效跟踪；通过冲突检测与制导矢量修正方法，实现无人机在飞行过程中对障碍或其他无人机的规避，防本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多无人机协同跟踪目标的方法，其特征在于，包括：S1第一无人机得到目标的速度信息和位置信息，并广播给其他各无人机，接收其他无人机发送的目标的速度信息和位置信息并进行信息融合；S2多无人机各自根据融合后的目标的速度信息确定跟踪方式；S3多无人机各自根据自身以及其他无人机的导航信息、目标的速度信息、位置信息以及所述跟踪方式，计算最终制导矢量；S4多无人机各自更新目标的速度信息和位置信息，并广播给其他各无人机，接收其他无人机发送的目标的速度信息和位置信息并进行信息融合，返回S2。

【技术特征摘要】
1.一种多无人机协同跟踪目标的方法，其特征在于，包括：S1第一无人机得到目标的速度信息和位置信息，并广播给其他各无人机，接收其他无人机发送的目标的速度信息和位置信息并进行信息融合；S2多无人机各自根据融合后的目标的速度信息确定跟踪方式；S3多无人机各自根据自身以及其他无人机的导航信息、目标的速度信息、位置信息以及所述跟踪方式，计算最终制导矢量；S4多无人机各自更新目标的速度信息和位置信息，并广播给其他各无人机，接收其他无人机发送的目标的速度信息和位置信息并进行信息融合，返回S2。2.如权利要求1所述的一种多无人机协同跟踪目标的方法，其特征在于，S2中的确定跟踪方式，包括：若无人机当前未处于跟踪状态，且目标的速度大于中间速度，则所述无人机使用平飞跟踪方式；若无人机当前未处于跟踪状态，且目标的速度小于等于中间速度，则所述无人机使用盘旋跟踪方式；若无人机当前处于盘旋跟踪状态，且目标的速度大于等于最大阈值，则所述无人机使用平飞跟踪方式；若无人机当前处于平飞跟踪状态，且目标的速度小于等于最小阈值，则所述无人机使用盘旋跟踪方式。3.如权利要求1或2所述的一种多无人机协同跟踪目标的方法，其特征在于，当跟踪方式为平飞跟踪方式时，计算最终制导矢量包括：计算参考制导矢量；检测冲突并采用虚拟势场计算修正角；根据修正角修正参考制导矢量，得到最终制导矢量。4.如权利要求3所述的一种多无人机协同跟踪目标的方法，其特征在于，所述计算参考制导矢量使用加权方法。5.如权利要求1或2所述的一种多无人机协同跟踪目标的方法，其特征在于，当所述跟踪方式为盘旋跟踪方式时，计算最终制导矢量包括：计算参考制导矢量；计算相位调整所需的制导矢量补偿，补偿参考制导矢量，得到补偿后的参考制导矢量；检测冲突并采用虚拟势场计算修...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨祖强，柳海，刘光宏，张德，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司信息科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11