【技术实现步骤摘要】
一种适用于四旋翼无人机集群飞行的队形保持方法
本专利技术属于无人机领域，特别涉及适用于无人机集群飞行的队形保持方法。
技术介绍
从无人机航拍到无人机编队飞行表演再到无人机集群作战，无人机(UnmannedAerialVehicle，UAV)在军事和民用领域都发挥着极为广泛的作用，而日益复杂的任务和环境决定了无人机开始需要一定的自主能力和协同能力，无人机集群编队控制技术将是未来无人机协同完成给定任务的关键。无人机编队控制是指如何确保多个无人机组成的集群能够在向特定目标或者方向前进的过程中，保持预设队形的同时还能适应如避障的环境约束等控制问题。四旋翼无人机相较于固定翼无人机能够提供出色的垂直起降、悬停动作、定点任务等功能，成为众多科研机构的研究热点。近年来，国内外在无人机集群编队控制方面开展了大量理论和实物研究，主要的编队控制方法有跟随领航者法、人工势场法、虚拟结构法和基于行为方法。跟随领航者法需要指定队形中的某一个无人机作为领航者，其余作为跟随者跟随领航者运动，因此可以将无人机的编队控制问题转化为跟随者跟随领航者的位置、速度等状态的问题。跟随领航者法相对其他几种方法更易于建模分析，能够采用标准的控制理论分析其跟踪误差。人工势场法主要应用于无人机集群的障碍规避与编队间防碰撞，通过吸引力和排斥力组织编队队形，障碍物与编队内其他无人机对无人机产生排斥力、目标点对无人机产生吸引力，则无人机的前进方向为其所受合力的方向。虚拟结构法将无人机视作虚拟的刚性结构，每个无人机的位置作为刚性结构上一点，无人机集群进行编队移
【技术保护点】
1.一种适用于四旋翼无人机集群飞行的队形保持方法，所采用的步骤是：/n步骤1：设定无人机集群起飞时的相对位置为无人机集群的预设队形，为防止编队间无人机碰撞，初始队形下的任意两个无人机间距离均大于最大受斥力范围d
【技术特征摘要】 【专利技术属性】
1.一种适用于四旋翼无人机集群飞行的队形保持方法，所采用的步骤是：
步骤1：设定无人机集群起飞时的相对位置为无人机集群的预设队形，为防止编队间无人机碰撞，初始队形下的任意两个无人机间距离均大于最大受斥力范围dopt，起飞后无人机间才能保持无人机间的安全距离；同时跟随者无人机处于对应编队参考点dref范围内，此时的跟随者无人机处于受力平衡状态，其受合力大小为零，由此计算出无人机集群引力增益katt、斥力增益krep之间关系；根据无人机集群的初始队形计算编队中无人机的相对位置，求出跟随者无人机与领航者无人机的距离矢量dformation；
步骤2：无人机集群起飞后，领航者无人机根据目标点位置、障碍物位置分别计算目标点吸引力Fatt-target，障碍物排斥力Frep-obstacle，领航者无人机的前进方向为上述两种力的合力方向，行进距离与无人机的硬件参数和状态更新频率Δt有关；
步骤3：跟随者无人机通过集群间通信网络从领航者无人机处获取其位置信息，根据初始编队队形和领航者无人机当前位置信息计算出跟随者无人机的编队参考点，然后分别计算出跟随者无人机所受的领航者的吸引力Fatt-leader、领航者的排斥力Frep-leader、障碍物的排斥力Frep-obstacle、编队参考点的吸引力Fatt-ref和其他无人机的排斥力Frep-other，跟随者无人机最终运动方向为上述5种力之和；
步骤4：领航者无人机判断是否抵达目标点以判断是否完成给定任务，跟随者无人机根据领航者无人机的状态判断是否结束任务并降落。
2.根据权利要求1所述的一种适用于四旋翼无人机集群飞行的队形保持方法，其特征在于根据预设队形确定无人机集群参数的具体方法为：
(1)速度、加速度约束
设定一个由n架无人机组成的无人机集群，P＝[p1，p2，p3...pn]表示无人机集群中无人机的位置矢量，不予考虑无人机的姿态、朝向，将无人机看作一个质点，位置矢量由无人机飞控提供的GPS坐标确定；同时，定义无人机速度矢量V＝[v1，v2，v3...vn]，加速度矢量A＝[a1，a2，a3...an]；已知pi∈R3，为无人机i的位置矢量，vi∈R3，为无人机i的速度矢量，ai∈R3，为无人机i的加速度矢量，显然，vi、ai分别满足约束：
(2)选取人工势函数
对于引力Fatt和斥力Frep需要选择不同的势场函数，定义katt、krep为无人机集群的引力增益、斥力增益，d′opt为受斥力范围，对于跟随者无人机在人工势场作用下受力大小可以表示为：
(3)最大受斥力距离确定
根据无人机尺寸sopt、无人机定位误差δ、避障范围冗余度k求出无人机最大受斥力距离：
dopt＝(sopt+δ)(1+k)(4)
特别地，领航者无人机对于跟随者无人机的引力、斥力一直存在，领航者无人机的dopt-leader为无人机集群最大通信距离；
(4)引力增益、斥力增益关系确定
无人机集群初始状态下跟随者无人机处于对应编队参考点dref范围内，为防止编队间发生碰撞，初始状态的队形需要保证任意两个无人机间距离大于dopt，起飞后方能保持无人机间的安全距离，同时由编队参考点特性可知此时跟随者无人机处于受力平衡状态，其受合力大小为零：
Fatt+Frep＝0(5)Fatt与Frep大小相等方向相反，跟随者无人机根据给定人工势函数可以分别求出其大小，可以计算得出：
技术研发人员：雷磊，姜阳，沈高青，黄加红，李志林，张莉涓，蔡圣所，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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