一种无人机编队飞行方法及控制系统技术方案

本发明专利技术提出了一种无人机编队飞行方法及控制系统，将无人机编队队形保持和避障飞行结合起来，使得无人机编队在无障碍物时能够保持预设队形进行飞行，而在遇到障碍物时能够进行编队避障，避障完成后迅速恢复队形；避障飞行控制方法能够在保持编队队形不变的前提下实现碰撞规避，提高了编队飞行的安全性，能够实现无人机集群的协同高效控制。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机编队飞行方法及控制系统
本专利技术涉及多无人机协同控制领域，特别涉及一种无人机编队飞行方法及控制系统。
技术介绍
由于单架无人机的续航能力和负载能力较弱，因此单架无人机尤其是微小型无人机在进行复杂的飞行任务时会面临巨大挑战，这也是无人机编队飞行越来越受到重视的原因。但如果无人机进行编队飞行时不能规避障碍物从而发生碰撞，不仅会影响到任务的顺利完成，更会对周围环境的安全造成重大影响，因此对于无人机编队飞行而言，整个系统具有良好的避障控制能力是任务能够高效安全地完成的重要保障。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种无人机编队避障飞行方法及控制系统，该系统在保持无人机编队飞行队形完整的同时，能够根据虚拟作用函数并结合设计的嵌套饱和控制器进行避障控制。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种无人机编队飞行方法，包括以下步骤：基于单机动态运动模型构建无人机编队中长机与每架僚机的相对运动模型，确定无人机的飞行编队；设定每架僚机的饱和函数，根据每架无人机的航向期望值和高度期望值，结合稳定状态下每架无人机的单机动态运动模型以及饱和函数，确定每架无人机按航迹飞行时的俯仰控制量和滚转控制量，在俯仰控制量和滚转控制量的作用下，使长机无人机按航线飞行时，僚机能够跟随长机按照期望的高度和航向进行编队飞行；根据设定的无人机与目标位置之间相互作用的虚拟作用函数F1、各无人机之间相互影响的虚拟作用函数F2，以及无人机与障碍物之间相互影响的虚拟作用函数F3，重构无人机稳定状态下的单机动态运动模型；无人机编队避障时，重构的稳定状态的单机动态运动模型输出每架无人机避障时的俯仰控制量和滚转控制量，无人机根据各自的俯仰控制量和滚转控制量进行避障飞行。优选的，采用欧拉-拉格朗日方法构建单机动态运动模型，表达式如下：其中，τψ、τθ、τφ分别为偏航、俯仰和滚转力矩，u为总体推力，m为每架四旋翼无人机的质量，g为重力加速度。优选的，所述相对运动模型的构建方法如下：建立以长机为参考的惯性坐标系，根据惯性坐标系中长机的坐标、僚机的坐标以及长机与僚机在机体坐标系中(x,y,z)三个方向上的距离，构建长机与僚机的相对运动模型。优选的，所述长机和僚机的相对运动关系为：其中，(xL,yL,zL)为长机在惯性坐标系中的坐标，(xF,yF,zF)为每架僚机在惯性坐标系中的坐标，(ΔxL,ΔyL,ΔzL)为长机与僚机在机体坐标系中(x,y,z)三个方向上的距离，T1(χL)、T2(γL)为坐标变换矩阵。优选的，所述无人机按航线在期望的高度和航向上编队飞行的方法具体如下：根据无人机之间的相对运动模型，以及无人机的高度期望值和航向期望值确定高度控制量和航向控制量；根据高度控制量和航向控制量，结合饱和函数和无人机稳定状态的单机动态运动模型，计算得到每架无人机的俯仰控制信号和滚转控制信号；根据航向控制量、高度控制量、俯仰控制量和滚转控制量，使无人机在期望的高度和航向按照步骤1的编队飞行模式进行飞行。优选的，所述饱和函数的表达式如下：优选的，所述俯仰控制量和滚转控制量的表达式如下：优选的，所述航向控制量和高度控制量的表达如下：其中，kpψ、kvψ为航向控制量的控制参数，ψi为第i架无人机需要保持的方位角与实际方位角之间的差值；其中，kpz、kvz为高度控制量的控制参数，zi为第i架无人机期望高度与实际高度之间的差值，m为每架四旋翼无人机的质量，g为重力加速度，θi为第i架无人机的俯仰角度，为第i架无人机的滚转角度。优选的，步骤3中所述虚拟作用函数F1、虚拟作用函数F2和虚拟作用函数F3的表达式分别如下：式中，ξi为第i架无人机的位置，ξj为目标位置，Lig为实际位置和期望位置之间的距离，Lij为第i架无人机和第j架无人机之间的距离，ff和kf为自定义参数。一种无人机编队飞行方法的控制系统，包括编队模块、编队飞行模块和编队避障模块；编队模块，用于基于单机动态运动模型构建无人机编队中长机与每架僚机的相对运动模型，确定无人机的飞行编队；编队飞行模块，用于根据每架无人机的航向期望值和高度期望值，结合稳定状态下每架无人机的单机动态运动模型以及饱和函数，确定每架无人机正常飞行时俯仰控制量和滚转控量，根据俯仰控制量和滚转控制量，使无人机在期望的高度和航向按照飞行编队进行飞行；避障飞行模块，用于根据无人机、目标位置以及障碍物之间直接相互影响的虚拟作用函数重构稳定状态的单机动态运动模型，重构的单机动态运动模型输出每架无人机避障时的俯仰控制的信号和滚转控制信号。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术提出了一种无人机编队飞行方法，将无人机编队队形保持和避障飞行结合起来，使得无人机编队在无障碍物时能够保持预设队形进行飞行，而在遇到障碍物时能够进行编队避障，避障完成后迅速恢复到原始航线；避障飞行控制方法能够在保持编队队形不变的前提下实现碰撞规避，提高了编队飞行的安全性，能够实现无人机集群的协同高效控制。附图说明图1是本专利技术无人机编队飞行控制方法的流程图；图2是本专利技术单架四旋翼无人机模型；图3是本专利技术双机相对运动关系；图4是本专利技术编队控制器切换逻辑原理图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。参阅图1，一种无人机编队飞行方法，包括以下步骤：步骤1、根据数学上的广义坐标理论定义四旋翼无人机的广义坐标系。具体的，参阅图2，假设在编队中的每架无人机在互不影响的状态下，无人机在速度保持控制器、俯仰角保持控制器和偏航角保持控制器的作用下按照设定的速度、俯仰角和偏航角保持飞行，定义四旋翼无人机的广义坐标系如下：q＝(x,y,z,φ,θ,ψ)∈R6其中，(x,y,z)为四旋翼无人机质心相对惯性坐标系I的位置；(φ,θ,ψ)为描述四旋翼无人机姿态的欧拉角，分别为滚转角、俯仰角和偏航角。步骤2、在步骤1中构建的四旋翼无人机的广义坐标系基础上，采用欧拉-拉格朗日方法，构建无人机编队系统中的每架无人机的单机动态运动模型：其中，惯性项在偏航、俯仰和滚转力矩(分别为τψ、τθ、τφ)中是隐含的，u为总体推力，m为每架四旋翼无人机的质量，g为重力加速度。步骤3、基于单机动态运动模型构建无人机编队中长机与每架僚机的相对运动模型，确定无人机的飞行编队。具体的，参阅图3，建立以长机为参考的惯性坐标系，根据惯性坐标系中长机的坐标、僚机的坐标以及长机与僚机在机体坐标系中(x,y,z)三个方向上的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人机编队飞行方法，其特征在于，包括以下步骤：/n基于单机动态运动模型构建无人机编队中长机与每架僚机的相对运动模型，确定无人机的飞行编队；/n设定每架僚机的饱和函数，根据每架无人机的航向期望值和高度期望值，结合稳定状态下每架无人机的单机动态运动模型以及饱和函数，确定每架无人机按航迹飞行时的俯仰控制量和滚转控制量，在俯仰控制量和滚转控制量的作用下，使长机无人机按航线飞行时，僚机能够跟随长机按照期望的高度和航向进行编队飞行；/n根据设定的无人机与目标位置之间相互作用的虚拟作用函数F1、各无人机之间相互影响的虚拟作用函数F2，以及无人机与障碍物之间相互影响的虚拟作用函数F3，重构无人机稳定状态下的单机动态运动模型；/n无人机编队避障时，重构的稳定状态的单机动态运动模型输出每架无人机避障时的俯仰控制量和滚转控制量，无人机根据各自的俯仰控制量和滚转控制量进行避障飞行。/n

【技术特征摘要】
1.一种无人机编队飞行方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于单机动态运动模型构建无人机编队中长机与每架僚机的相对运动模型，确定无人机的飞行编队；
设定每架僚机的饱和函数，根据每架无人机的航向期望值和高度期望值，结合稳定状态下每架无人机的单机动态运动模型以及饱和函数，确定每架无人机按航迹飞行时的俯仰控制量和滚转控制量，在俯仰控制量和滚转控制量的作用下，使长机无人机按航线飞行时，僚机能够跟随长机按照期望的高度和航向进行编队飞行；
根据设定的无人机与目标位置之间相互作用的虚拟作用函数F1、各无人机之间相互影响的虚拟作用函数F2，以及无人机与障碍物之间相互影响的虚拟作用函数F3，重构无人机稳定状态下的单机动态运动模型；
无人机编队避障时，重构的稳定状态的单机动态运动模型输出每架无人机避障时的俯仰控制量和滚转控制量，无人机根据各自的俯仰控制量和滚转控制量进行避障飞行。


2.根据权利要求1所述的一种无人机编队飞行方法，其特征在于，采用欧拉-拉格朗日方法构建单机动态运动模型，表达式如下：


















其中，τψ、τθ、τφ分别为偏航、俯仰和滚转力矩，u为总体推力，m为每架四旋翼无人机的质量，g为重力加速度。


3.根据权利要求1所述的一种无人机编队飞行方法，其特征在于，所述相对运动模型的构建方法如下：
建立以长机为参考的惯性坐标系，根据惯性坐标系中长机的坐标、僚机的坐标以及长机与僚机在机体坐标系中(x,y,z)三个方向上的距离，构建长机与僚机的相对运动模型。


4.根据权利要求3所述的一种无人机编队飞行方法，其特征在于，所述长机和僚机的相对运动关系为：



其中，(xL,yL,zL)为长机在惯性坐标系中的坐标，(xF,yF,zF)为每架僚机在惯性坐标系中的坐标，(ΔxL,ΔyL,ΔzL)为长机与僚机在机体坐标系中(x,y,z)三个方向上的距离，T1(χL)、T2(γL)为坐标变换矩阵。


5.根据权利要求1或4所述的一种无人机编队飞行方法，其特征在于，所述无人机按航线在期望的高度和航向上编队飞行的方法具体如下：
根据无人机之间的相对运动模型，以及无人机的高度期望值和航向期望值确定高度控制量和航向控制量；
根据高...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘贞报，邹旭，江飞鸿，钟洋，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61