一种异构多无人机自主聚集、分离及合并集群方法技术

本发明专利技术提供一种异构多无人机自主聚集、分离及合并集群方法，涉及无人机智能协同技术领域，步骤如下：1)将在空间中离散的两类无人机通过算法群集成一个无人机集群；2)通过状态转移方程，将位于运输无人机内部的护航无人机移动到运输无人机的外层。3)通过无人机均匀算法，将护航无人机均匀的部署在无人机群的外层；4)计算无人机之间的力，通过迭代，最后形成一个稳定的无人机群；5)判断无人机群状态。进行聚合过程执行步骤6；执行分离过程执行步骤7；维持原状态，本方法结束；6)执行合并过程；7)执行分离过程。利用异构多无人机组成无人机群，解决单架无人机由于自身负载和能量限制问题。以异构无人机群为单位执行复杂任务。

An autonomous clustering, separation and merging method for heterogeneous multi UAVs

【技术实现步骤摘要】
一种异构多无人机自主聚集、分离及合并集群方法
本技术属于无人机智能协同
，具体涉及一种异构多无人机自主聚集、分离及合并集群方法。
技术介绍
无人机最早出现在20世纪20年代，是一种利用无线电遥控设备和自备程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。随着科技水平的不断提高，无人机的运用范围越来越广泛，如在城市安防中，可以使用无人机来监控城市；在森林火灾的时候可以使用无人机来进行灭火。但是由于无人机的负载和能量的限制，单一无人机不能胜任复杂的任务需求。而多无人机组成的无人机群，就成为了目前发展的首选。但是由功能单一的无人机组成的无人机群，只能完成一些没有复杂环境要求的任务，所以由功能不同的多无人机组成的无人机群成为了下一个研究目标。
技术实现思路
一种异构多无人机自主聚集、分离及合并集群方法，其特征在于：在三维环境下，采用多无人机组成的异构无人机群集群方法和以无人机群为单位的无人机群分离聚合方法；所述无人机为：护航无人机、运输无人机，具体方法执行以下步骤：步骤1：针对无人机的集群特点建立无人机的集群运动模型，将在空间中离散的两类无人机通过算法群集成一个无人机集群；1.1、初始化无人机的位置、速度参数信息，保证无人机的安全避免碰撞距离0m～20m,速度校准范围20m～60m和无人机通信范围60m～120m；1.2、计算所有无人机受到的校准力、排斥力、吸引力和导航力；1.3、计算无人机在该状态下受到的合力；1.4、根据合力计算出无人机的下一步运动位置，并且移动无人机，使无人机群中所有无人机达到全部通信的状态，群集成一个无人机群；1.5、通过无人机之间相互发送位置信息，判断无人机是否到了全部通信的状态，如达到全部通信的状态，执行步骤2，否则循环步骤1直到达到全部通信的状态；步骤2：通过护航无人机的状态转移方程，将位于运输无人机内部的护航无人机移动到运输无人机的外层；2.1、再次计算所有无人机受到的排斥力、运输无人机受到的校准力和吸引力、护航无人机受到的运输无人机虚拟中心的排斥力；2.2、计算运输无人机、护航无人机在该状态下受到的合力；2.3、根据计算出的合力，计算出无人机的下一步运动位置，并且移动无人机，使运输无人机内部的护航无人机移动到运输无人机的外层；所有护航无人机移动到运输无人机的边界处后，执行步骤3，否则一直循环步骤2直到所有护航无人机移动到运输无人机的边界处；步骤3：通过无人机均匀算法，将所有护航无人机均匀的部署在无人机群的外层；步骤4：计算无人机之间的力，通过迭代，最后形成一个稳定的无人机群；4.1、再一次计算护航无人机与运输无人机之间的吸引力、运输无人机和其它所有无人机之间的吸引力、所有无人机校准力、所有无人机受到的排斥力；4.2、计算运输无人机、护航无人机在该状态下受到的合力；4.3、根据计算出的合力，计算出无人机的下一步运动位置，并且移动无人机，通过有限次的迭代，形成一个稳定的异构无人机系统；步骤5：判断无人机群是需要进行分离过程或进行聚合过程或维持原状态，进行聚合过程则执行步骤6；执行分离过程执行步骤7；维持原状态；步骤6：当两个无人机群进行合并过程时，两个无人机群需要相互靠近，直到可以彼此相互通信后，然后执行步骤1至步骤4形成一个母无人机群体；步骤7：当无人机执行分离操作时，首先需要根据分离策略，将无人机群进行分组，本申请基于无人机与任务点的距离来分组，完成无人机分组后，对分组后的两个无人机群，分别执行步骤1至步骤4，形成两个子无人机群，同时和母无人机群具有相同的结构特征。上述方法中所述的一种异构多无人机自主聚集、分离及合并集群方法，其特征在于所述无人机受到的校准力、排斥力、吸引力、导航力、下一个运动状态的位置、步骤1中合力计算公式如下：校准力：当无人机位于彼此的速度校准范围内的时候，无人机的速度状态需要相互靠近，以此来达到无人机群体的运动一致性，定义无人机的速度匹配邻接矩阵如下所示：其中V表示无人机节点的集合，表示无人机i的安全防碰撞范围，表示表示无人机i的速度校准范围，pi表示无人机i的位置坐标，Pj表示无人机j的位置坐标，无人机速度校准力定义如下所示：其中vi表示无人机i的速度，vi表示无人机j的速度；吸引力：当两个无人机进入了彼此的通信范围后，并且在彼此的校准范围之外，此时，无人机需要相互靠近，所以定义吸引力邻接矩阵如下所示：其中表示无人机i的通信范围；将上述公式展开可以得到无人机i和无人机j之间的吸引力系数矩阵如下所示：对无人机的吸引力的系数如下所示：定义无人机的吸引力公式如下所示：排斥力：当无人机彼此距离靠的太近的时候，为了避免无人机相互碰撞，无人机需要相互远离，所以无人机的排斥力的邻接矩阵可以定义为：将上述展开，可以得到无人机i和无人机j之间的排斥力系数矩阵ρij如下所示：其中表示排斥力系数，将无人机的排斥力系数定义如下所示：定义无人机的排斥力如下所示：所述吸引力、排斥力公式中系数ρij是为了控制在特定的区域内是否存在该力的作用；导航力：由于在初始条件下，无人机是离散随机分布在空间中的，这个空间方位大于无人机的通信范围，需要设置一个集合点，确保无人机可以到达这个区域，将无人机的导航力定义为如下所示：其中pd表示集合点坐标；该状态下合力Φ，定义为如下所示：其中ω1、ω2、ω3、ω4表示系数，设置为0.25；无人机的下一个运动状态的位置如下所示：xi(t+1)＝xi(t)+F(13)其中xi(t)表示无人机当前运动状，在步骤1中，F＝Φ。上述方法中所述的一种异构多无人机自主聚集、分离及合并集群方法，其特征在于所述步骤2中虚拟中心的排斥力计算公式如下：定义运输无人机的虚拟中心坐标pord公式如下所示：其中Vord表示运输无人机集合，由于在步骤1的时候，所有的无人机的都可以通信，所以可以计算出该虚拟中心；由该虚拟坐标中心，可以计算出护航无人机的移动的边缘半径；该半径公式如下所示：该半径就是护航无人机应该移动的边界，即为运输无人机的外围半径；定义护航无人机受到的运输无人机虚拟中心排斥力Mi公式如下所示：运输无人机i的合力护航无人机的合力定义如下：其中分别表示在执行步骤1后运输无人机的校准力、排斥力、吸引力；σ1＝σ2＝0.5，分别表示在执行步骤1后护航无人机i的排斥力和护航无人机i受到运输无人机虚拟中心的排斥力；在步骤2中，护航无人机的合力运输无人机的合力带入公式(13)，求得下一个状态位置。上述方法中所述的一种异构多无人机自主聚集、分离及合并集群方法，其特征在于所述步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种异构多无人机自主聚集、分离及合并集群方法，其特征在于：在三维环境下，采用多无人机组成的异构无人机群集群方法和以无人机群为单位的无人机群分离聚合方法；所述无人机为：护航无人机、运输无人机，具体方法执行以下步骤：/n步骤1：针对无人机的集群特点建立无人机的集群运动模型，将在空间中离散的两类无人机通过算法群集成一个无人机集群；/n1.1、初始化无人机的位置、速度参数信息，保证无人机的安全避免碰撞距离0m～20m,速度校准范围20m～60m和无人机通信范围60m～120m；/n1.2、计算所有无人机受到的校准力、排斥力、吸引力和导航力；/n1.3、计算无人机在该状态下受到的合力；/n1.4、根据合力计算出无人机的下一步运动位置，并且移动无人机，使无人机群中所有无人机达到全部通信的状态，群集成一个无人机群；/n1.5、通过无人机之间相互发送位置信息，判断无人机是否到了全部通信的状态，如达到全部通信的状态，执行步骤2，否则循环步骤1直到达到全部通信的状态；/n步骤2：通过护航无人机的状态转移方程，将位于运输无人机内部的护航无人机移动到运输无人机的外层；/n2.1、再次计算所有无人机受到的排斥力、运输无人机受到的校准力和吸引力、护航无人机受到的运输无人机虚拟中心的排斥力；/n2.2、计算运输无人机、护航无人机在该状态下受到的合力；/n2.3、根据计算出的合力，计算出无人机的下一步运动位置，并且移动无人机，使运输无人机内部的护航无人机移动到运输无人机的外层；所有护航无人机移动到运输无人机的边界处后，执行步骤3，否则一直循环步骤2直到所有护航无人机移动到运输无人机的边界处；/n步骤3：通过无人机均匀算法，将所有护航无人机均匀的部署在无人机群的外层；/n步骤4：计算无人机之间的力，通过迭代，最后形成一个稳定的无人机群；/n4.1、再一次计算护航无人机与运输无人机之间的吸引力、运输无人机和其它所有无人机之间的吸引力、所有无人机校准力、所有无人机受到的排斥力；/n4.2、计算运输无人机、护航无人机在该状态下受到的合力；/n4.3、根据计算出的合力，计算出无人机的下一步运动位置，并且移动无人机，通过有限次的迭代，形成一个稳定的异构无人机系统；/n步骤5：判断无人机群是需要进行分离过程或进行聚合过程或维持原状态，进行聚合过程则执行步骤6；执行分离过程执行步骤7；维持原状态；/n步骤6：当两个无人机群进行合并过程时，两个无人机群需要相互靠近，直到可以彼此相互通信后，然后执行步骤1至步骤4形成一个母无人机群体；/n步骤7：当无人机执行分离操作时，首先需要根据分离策略，将无人机群进行分组，本申请基于无人机与任务点的距离来分组，完成无人机分组后，对分组后的两个无人机群，分别执行步骤1至步骤4，形成两个子无人机群，同时和母无人机群具有相同的结构特征。/n...

【技术特征摘要】
1.一种异构多无人机自主聚集、分离及合并集群方法，其特征在于：在三维环境下，采用多无人机组成的异构无人机群集群方法和以无人机群为单位的无人机群分离聚合方法；所述无人机为：护航无人机、运输无人机，具体方法执行以下步骤：
步骤1：针对无人机的集群特点建立无人机的集群运动模型，将在空间中离散的两类无人机通过算法群集成一个无人机集群；
1.1、初始化无人机的位置、速度参数信息，保证无人机的安全避免碰撞距离0m～20m,速度校准范围20m～60m和无人机通信范围60m～120m；
1.2、计算所有无人机受到的校准力、排斥力、吸引力和导航力；
1.3、计算无人机在该状态下受到的合力；
1.4、根据合力计算出无人机的下一步运动位置，并且移动无人机，使无人机群中所有无人机达到全部通信的状态，群集成一个无人机群；
1.5、通过无人机之间相互发送位置信息，判断无人机是否到了全部通信的状态，如达到全部通信的状态，执行步骤2，否则循环步骤1直到达到全部通信的状态；
步骤2：通过护航无人机的状态转移方程，将位于运输无人机内部的护航无人机移动到运输无人机的外层；
2.1、再次计算所有无人机受到的排斥力、运输无人机受到的校准力和吸引力、护航无人机受到的运输无人机虚拟中心的排斥力；
2.2、计算运输无人机、护航无人机在该状态下受到的合力；
2.3、根据计算出的合力，计算出无人机的下一步运动位置，并且移动无人机，使运输无人机内部的护航无人机移动到运输无人机的外层；所有护航无人机移动到运输无人机的边界处后，执行步骤3，否则一直循环步骤2直到所有护航无人机移动到运输无人机的边界处；
步骤3：通过无人机均匀算法，将所有护航无人机均匀的部署在无人机群的外层；
步骤4：计算无人机之间的力，通过迭代，最后形成一个稳定的无人机群；
4.1、再一次计算护航无人机与运输无人机之间的吸引力、运输无人机和其它所有无人机之间的吸引力、所有无人机校准力、所有无人机受到的排斥力；
4.2、计算运输无人机、护航无人机在该状态下受到的合力；
4.3、根据计算出的合力，计算出无人机的下一步运动位置，并且移动无人机，通过有限次的迭代，形成一个稳定的异构无人机系统；
步骤5：判断无人机群是需要进行分离过程或进行聚合过程或维持原状态，进行聚合过程则执行步骤6；执行分离过程执行步骤7；维持原状态；
步骤6：当两个无人机群进行合并过程时，两个无人机群需要相互靠近，直到可以彼此相互通信后，然后执行步骤1至步骤4形成一个母无人机群体；
步骤7：当无人机执行分离操作时，首先需要根据分离策略，将无人机群进行分组，本申请基于无人机与任务点的距离来分组，完成无人机分组后，对分组后的两个无人机群，分别执行步骤1至步骤4，形成两个子无人机群，同时和母无人机群具有相同的结构特征。


2.根据权利要求1所述的一种异构多无人机自主聚集、分离及合并集群方法，其特征在于所述无人机受到的校准力、排斥力、吸引力、导航力、下一个运动状态的位置、步骤1中合力计算公式如下：
校准力：当无人机位于彼此的速度校准范围内的时候，无人机的速度状态需要相互靠近，以此来达到无人机群体的运动一致性，定义无人机的速度匹配邻接矩阵如下所示：



其中V表示无人机节点的集合，表示无人机i的安全防碰撞范围，表示表示无人机i的速度校准范围，pi表示无人机i的位置坐标，Pj表示无人机j的位置坐标，无人机速度校准力定义如下所示：



其中vi表示无人机i的速度，vi表示无人机j的速度；
吸引力：当两个无人机进入了彼此的通信范围后，并且在彼此的校准范围之外，此时，无人机需要相互靠近，所以定义吸引力邻接矩阵如下所示：



其中表示无人机i的通信范围；
将上述公式展开可以得到无人机i和无人机j之间的吸引力系数矩阵如下所示：



对无人机的吸引力的系数如下所示：



定义无人机的吸引力公式如下所示：



排斥力：当无人机彼此距离靠的太近的时候，为了避免无人机相互碰撞，无人机需要相互远离，所以无人机的排斥力的邻接矩阵可以定义为：



将上述展开，可以得到无人机i和...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴杰宏，马坚，范纯龙，石祥滨，刘芳，毕静，杨京辉，孙熙春，于元哲，孙亚男，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21