一种多无人机分布式协同编队规避动态障碍的方法技术

本发明专利技术提供了一种多无人机分布式协同编队规避动态障碍方法，利用分布式控制方法，通过最优化探测并集区域，解决部分协同规避动态障碍物问题，本发明专利技术采用了无人机集群自适应自主决策机制，使得协同避障最优化，并尽可能使集群损失最小，综合效益最大化。

A distributed cooperative formation method of multiple UAVs to avoid dynamic obstacles

【技术实现步骤摘要】
一种多无人机分布式协同编队规避动态障碍的方法
本专利技术涉及无人机
，尤其涉及一种多无人机的协同编队规避动态障碍的方法。
技术介绍
多无人机协同编队执行复杂危险任务是未来发展必然趋势，对于多无人机协同编队，首先要进行信息感知，并对多源信息进行融合；其次对各种任务进行分配和决策；进而对每架无人机进行航迹规划生成期望轨迹；然后利用编队控制方法实现多机编队飞行任务；在编队控制设计过程中需重点考虑组网通信问题；最后，搭建模拟多无人机协同编队飞行虚拟仿真平台和实物演示平台，验证算法可行性和有效性。而在此过程中，势必会遇到障碍物阻碍多机协同飞行，这种障碍物可能是静态、也可能是动态的。在无人机领域，对于静态障碍物的处理已有诸多方法，然而对于动态障碍物的处理至今仍存在诸多问题。无人机集群避障主要涉及传感器感知和路径规划。无人机安全航行的前提是基于传感器实时感知周围的环境信息，即检测、识别和跟踪威胁无人机飞行的障碍物。路径规划就是在环境感知信息基础上，结合无人机执行任务需求，设计一种多层避障模型，使无人机集群在飞行过程中安全可靠地避开遇到的静态与动态障碍物，提高自身的生存与作业能力。因此，有必要研究一种多无人机的协同编队规避动态障碍的方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种多无人机的协同编队规避动态障碍的方法，采用了无人机集群自适应自主决策机制，使得协同避障最优化，并尽可能使集群损失最小，综合效益最大化。一方面，本专利技术提供一种多无人机的协同编队规避动态障碍的方法，所述方法具体包括以下步骤：S1：获取无人机集群的初步局部位姿和初步全局位姿；S2：对全局位姿进行纠正和优化；S3：通过优化后的全局位姿和无人机的里程计，获取无人机自移动距离和障碍距离；S4：通过GPS定位系统，计算出每架无人机与邻近友机之间实际距离，与预先设定相对距离作差比较，得到误差值；S5：对S4中误差值进行回环比较，获取有效误差值；S6：以S3中自移动距离和障碍距离以及S5中有效误差值，作为建图的源数据，得到含障碍物的集群拓扑概略图；S7：S6中的集群拓扑概略图随着时间推移，不断发生变化的过程中，通过闭环反馈判断是否运行到最后一帧，将最后一帧集群拓扑概略图送到上位机进行集群拓扑概略图精确细化处理并进行避障。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S1具体为：通过惯导信息和GPS分别获取无人机集群的初步局部位姿和初步全局位姿。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S2具体包括：S21：结合时间序列上的点云的匹配优化所获得的空间位姿变换，对全局位姿进行纠正；S22：纠正后的全局位姿通过集群无线通信，在有效通信范围内，将位姿信息传输到邻近的个体无人机，代入个体无人机的微处理器，通过软件编写位姿迭代最优算法，得到优化的全局位姿。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S3中自移动距离为无人机在两个不同时刻所在位置的移动距离，障碍距离为无人机在两个不同时刻与可探测到的移动障碍物之间的距离。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S4具体为：通过无人机上的GPS定位系统，获取无人机自身的位置信息，并通过邻近友机的位置信息进行作差，得到实际相对距离，将实际相对距离与预先设定的相对距离作差比较，得到误差值。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S5具体包括：S51：在得到误差值后，进行回环比较；S52：如果回环比较结果低于预设阈值或高于预设阈值，则判定数据伪；S531：对于伪数据，结合图像信息做实际比对；S532：若图像信息与实际信息相符，则采取躲避或吸引策略；S533：若图像信息与实际信息不符，则进入失效的回环检测，数据丢弃，重新进行下一时刻的回环检测；S54：如果回环比较结果满足预设阈值区间，则判定数据真，获取有效误差值。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S7中拓扑图随时间变化过程具体如下：将无人机集群抽象成若干节点构成的拓扑图，节点i的更新方程为：其中θi(t)为节点i在t时刻的航向角，t为一个离散时间序列；Ni(t)表示ni(t)表示节点i在t时刻的邻接点集合，ni(t)表示节点i在t时刻的邻接点数量。如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S7中精确细化处理及避障方法具体为：θ(t+1)＝θ(t)+u(t)；e(t)＝Lσ(t)θ(t)；e(t)为平均航向角偏差向量；施加如下控制输入：其中，对每个p∈P，Gp为非奇异对角阵；u(t)的第i个元素为：闭环系统为：当θ(t)和σ(t)分别收敛至和则每个节点的状态收敛至其所有邻节点状态的平均值；当集群系统中所有个体达到平均值后，集群系统处于稳定状态，集群系统相对于障碍物进行整体避障。与现有技术相比，本专利技术可以获得包括以下技术效果：本专利技术采用了无人机集群自适应自主决策机制，使得协同避障最优化，并尽可能使集群损失最小，综合效益最大化。当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。【附图说明】为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1是本专利技术一个实施例提供的一种多无人机的协同编队规避动态障碍的方法中构图的流程。【具体实施方式】为了更好的理解本专利技术的技术方案，下面结合附图对本专利技术实施例进行详细描述。应当明确，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。在本专利技术实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本专利技术。在本专利技术实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。本专利技术提供一种多无人机的协同编队规避动态障碍的方法，所述方法具体包括以下步骤：S1：获取无人机集群的初步局部位姿和初步全局位姿；S2：对全局位姿进行纠正和优化；S3：通过优化后的全局位姿和无人机的里程计，获取无人机自移动距离和障碍距离；S4：通过GPS定位系统，计算出每架无人机与邻近友机之间实际距离，与预先设定相对距离作差比较，得到误差值；S5：对S4中误差值进行回环比较，获取有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多无人机的协同编队规避动态障碍的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：/nS1：获取无人机集群的初步局部位姿和初步全局位姿；/nS2：对全局位姿进行纠正和优化；/nS3：通过优化后的全局位姿和无人机的里程计，获取无人机自移动距离和障碍距离；/nS4：通过GPS定位系统，计算出每架无人机与邻近友机之间实际距离，与预先设定相对距离作差比较，得到误差值；/nS5：对S4中误差值进行回环比较，获取有效误差值；/nS6：以S3中自移动距离和障碍距离以及S5中有效误差值，作为建图的源数据，得到含障碍物的集群拓扑概略图；/nS7：S6中的集群拓扑概略图随着时间推移，不断发生变化的过程中，通过闭环反馈判断是否运行到最后一帧，将最后一帧集群拓扑概略图送到上位机进行集群拓扑概略图精确细化处理，实现在保持编队的同时，避免与障碍物发生碰撞。/n

【技术特征摘要】
1.一种多无人机的协同编队规避动态障碍的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
S1：获取无人机集群的初步局部位姿和初步全局位姿；
S2：对全局位姿进行纠正和优化；
S3：通过优化后的全局位姿和无人机的里程计，获取无人机自移动距离和障碍距离；
S4：通过GPS定位系统，计算出每架无人机与邻近友机之间实际距离，与预先设定相对距离作差比较，得到误差值；
S5：对S4中误差值进行回环比较，获取有效误差值；
S6：以S3中自移动距离和障碍距离以及S5中有效误差值，作为建图的源数据，得到含障碍物的集群拓扑概略图；
S7：S6中的集群拓扑概略图随着时间推移，不断发生变化的过程中，通过闭环反馈判断是否运行到最后一帧，将最后一帧集群拓扑概略图送到上位机进行集群拓扑概略图精确细化处理，实现在保持编队的同时，避免与障碍物发生碰撞。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1具体为：通过惯导信息和GPS分别获取无人机集群的初步局部位姿和初步全局位姿。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2具体包括：
S21：结合时间序列上的点云的匹配优化所获得的空间位姿变换，对初步全局位姿进行纠正；
S22：纠正后的全局位姿通过集群无线通信，在有效通信范围内，将位姿信息传输到邻近的个体无人机，代入个体无人机的微处理器，通过软件编写位姿迭代最优算法，得到优化的全局位姿。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3中自移动距离为无人机在两个不同时刻所在位置的移动距离，障碍距离为无人机在两个不同时刻与可探测到的移动障碍物之间的距离。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4具体为：通过无人机上的GPS定位系统，获取无人机自身的位置信息，并通过邻近友机的位置信息进行作差，...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜梁，刘壮华，李金鸣，郝明磊，
申请(专利权)人：航天时代飞鸿技术有限公司，中国航天电子技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11