一种异构无人机群交互分簇编队及航迹规划方法技术

本发明专利技术公开了一种异构无人机群交互分簇编队及航迹规划方法，包括包括以下步骤：根据要处理的任务与所述无人机群内各无人机的动力学特性，对所述无人机群分簇，所划分的每个簇同要处理的任务之一对应；对于所划分的每个簇，获取其对应任务的目标位置、已识别的障碍物位置与簇内的各无人机的当前位置；根据所述目标位置、障碍物位置与无人机当前位置，利用引力函数与斥力函数计算各无人机在当前位置受到的引力与斥力，其中根据改进的人工势场函数获取所述引力函数与所述斥力函数；根据各无人机在当前位置受到的引力与斥力的合力驱动各无人机。各无人机。各无人机。

【技术实现步骤摘要】
一种异构无人机群交互分簇编队及航迹规划方法

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[0001]本专利技术属于无人机集群控制与航迹规划领域，公开了一种异构无人机群交互分簇编队及航迹规划方法。

技术介绍
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[0002]无人机具有灵活性高，机动性能良好，反应速度快，操作要求低等优点，在一定程度上可以代替有人机执行复杂和危险的任务。但受限于无人机自身的能量、能力以及载荷等因素，紧靠单架无人机难以应对复杂多变的环境和自主完成工作任务，因此无人机群协同作业成为趋势。随着计算机、网络、通信等新一代信息技术的高速发展，多无人机集群技术具有越来越广泛且重要的军事和民用价值，尤其是在多目标、多任务的应用场景中，如协同侦察、饱和打击、精准农业、环境监测等。然而，单一功能无人机组成的同构集群因载荷、功能等仍存在较大局限性，执行多目标的控制任务时往往需要多架异构无人机协同来完成。而且，现有无人机群面临着分簇编队固定等难题，导致无人机群无法根据任务的变化或完成度进行相应的调整，在一些目标或者任务多变的场景中，受到了极大的限制。此外，无人机群的航迹规划过程中存在目标不可达、局部极小值陷阱及路径长度过长的问题，无法根据无人机的实时状态确定其是否继续参加并完成任务，因此造成了无人机集群不能发挥最大效能。
[0003]针对这一现状，迫切需要开发一种具有安全性、可靠性和可操作性的异构无人机群交互分簇编队及航迹规划方法，以满足实际任务场景的需求。因此，本专利技术致力于解决现有的技术难题，提升无人机群智能化完成任务的效能，提高无人机群完成多目标复杂任务的品质。

技术实现思路
：<br/>[0004]本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或者至少提供一种有用的构建方式。为此，本专利技术提出了一种具有安全性、可靠性和可操作性的异构无人机群交互分簇编队及航迹规划方法，使得具有不同功能的异构无人机群能够自主完成多目标控制任务。
[0005]根据本专利技术的一方面，提供了异构无人机群交互分簇编队及航迹规划方法，包括以下步骤：根据要处理的任务与所述无人机群内各无人机的动力学特性，对所述无人机群分簇，所划分的每个簇同要处理的任务之一对应；对于所划分的每个簇，获取其对应任务的目标位置、已识别的障碍物位置与簇内的各无人机的当前位置；根据所述目标位置、障碍物位置与无人机当前位置，利用引力函数与斥力函数计算各无人机在当前位置受到的引力与斥力，其中根据改进的人工势场函数获取所述引力函数与所述斥力函数；根据各无人机在当前位置受到的引力与斥力的合力驱动各无人机。
[0006]根据本专利技术的又一方面，提供了异构无人机群交互分簇编队及航迹规划方法，包括：步骤1：设定异构无人机群的初始参数，如机群数量、机群性能等；确定无人机群的任务
形式、任务性质以及机群的允许编队形式；步骤2：基于对任务的初步规划，根据任务所需和无人机群的不同功能，依照平衡划分原则实现机群的自主分簇；步骤3：基于不同任务性质所对应的分簇形式，通过改进的人工势场的方法进行航迹规划，有效地解决目标不可达、局部极小值陷阱及路径长度过长的问题；步骤4：基于任务因内在或外在因素的变化或调整，面向实时需求，实现无人机群自主分簇编队及航迹规划。
[0007]本专利技术的特点还在于：
[0008]步骤1中，任务性质包括目标侦查、巡航、火力攻击等任务模式。机群的允许编队形式依赖于外界环境，比如在高山或者峡谷执行任务时，松散的横向队形无法抵御强风干扰，不可选择该队形执行任务。
[0009]步骤2中，无人机群的每簇为任务性质单一的子簇或多性质组成的混合簇，其中每簇的具体功能包括：目标侦测、火力掩护、机动备用、干扰与反干扰等。而且，本专利技术所提出的交互分簇编队方式可应对多变的任务场景，满足实时需求，解决了分簇编队固定的难题。同时，相比于现有的分簇编队方式，该方法可有效应对反集群的攻击，具有较强的鲁棒性。
[0010]步骤3中，通过提出的改进的人工势场的方法，不仅可以避免目标不可达、局部极小值陷阱的出现，同时优化了无人机群的避障路径，达到了减小路径长度和降低计算量的目的。
[0011]步骤4中，基于任务的变化和无人机状态的改变，需要进行实时更新以及动态调整。根据所受引力场和斥力场的更新动态规划无人机的飞行航迹，从而实现无人机群自主分簇编队以及动态航迹规划。
[0012]根据本专利技术所示的方法，可以使得异构无人机群能够根据任务的实时需求，实现无人机群自主分簇编队及动态航迹规划，提升了无人机群智能化完成多目标任务的效能，具有高效、稳定和可靠的优点。
附图说明：
[0013]图1是本专利技术中无人机群的拓扑结构实例图；
[0014]图2是本专利技术中无人机群分簇的拓扑结构实例图；
[0015]图3是本专利技术中无人机群分簇编队及航迹规划总体流程图；
[0016]图4是本专利技术中无人机群航迹规划流程图；
[0017]图5是本专利技术中又一实施例的无人机群航迹规划流程图。
具体实施方式：
[0018]为了更加清楚地说明本专利技术的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0019]考虑由N个无人机、m个簇所组成的异构无人机集群系统，即考虑由N个无人机、m个簇所组成的异构无人机集群系统，即并且有并且有即第1个簇包含c1个无人机，第i个簇包含c
i
‑
c
i
‑1个无人机，第m个簇包含N
‑
c
m
‑1个无人机。这里主要是对无人机群分簇编队及航迹规划进行研究和构建，包括根据任务对每一簇的功能设定，任务链中不同任务时可行的编队队形，机群编队对应的拓扑结构以
及机群的航迹规划。
[0020]下文公开提供了一个特定具体的例子对本专利技术的方法进行描述。参见图1，拓扑图中每一个节点代表一个无人机，其动力学特性可表示为f
i
(
·
)，i＝1，
…
，5，拓扑图中的边权重为A
ij
，i，j＝1，
…
，5，其中i，j分别表示第i，j个无人机，A
ij
表示第j个无人机向第i个无人机所传递的信息。
[0021]根据任务性质和无人机群飞行环境判断无人机群允许的分簇编队形式。任务性质可预先设定，比如目标侦查、巡航、火力攻击等任务模式时给定每簇机群任务及可行编队。例如，机群的飞行环境如在高山或者峡谷执行任务时，松散的横向队形无法抵御强风干扰，不可选择该队形执行任务。
[0022]在明确任务性质和飞行环境后，依照平衡划分原则：
[0023][0024]即同一簇内无人机群内的各无人机具有相同的动力学特性和相同的外部(簇外)信息输入(与表示不同的簇)。参见图2中(代表分簇方式)，无人机群首先被划分2个簇，每个簇内的无人机具有相同的功能，可完成一项特定的任务，这种划分方式因簇数最少称其为最小划分。
[0025]当任务发生变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异构无人机群交互分簇编队及航迹规划方法，包括以下步骤：根据要处理的任务与所述无人机群内各无人机的动力学特性，对所述无人机群分簇，所划分的每个簇同要处理的任务之一对应；对于所划分的每个簇，获取其对应任务的目标位置、已识别的障碍物位置与簇内的各无人机的当前位置；根据所述目标位置、障碍物位置与无人机当前位置，利用引力函数与斥力函数计算各无人机在当前位置受到的引力与斥力，其中根据改进的人工势场函数获取所述引力函数与所述斥力函数；根据各无人机在当前位置受到的引力与斥力的合力驱动各无人机。2.根据权利要求1所述的方法，其中所划分的每个簇内的无人机群具有相同的动力学特性，以及每个簇内的各个无人机所接收的来自其他簇的无人机的输入之和相同。3.根据权利要求2所述的方法，其中根据要处理的任务性质与无人机群的飞行环境获取可用的编队形式；为要处理的任务对应的簇设置功能与编队形式。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述改进的人工引力势场函数为所述改进的人工引力势场函数为其中，X为第i簇机群中单架无人机的当前位置，X
goal
为第i簇机群的目标位置，X
ob
为第i簇机群所遇到的障碍物位置；k
att
和k
rep
分别表示引力势场系数和斥力势场系数；U
att
(X)和U
rep
(X)分别表示引力势场函数和斥力势场函数；ρ(X,X
goal
)＝||X
‑
X
goal
||为所述单架无人机与目标位置的相对距离，ρ(X,X
ob
)＝||X
‑
X
ob
||为所述单架无人机与障碍物位置的相对距离；ρ0为障碍物的最大作用范围；t为调节因数，是一个可变化的正常数。5.根据权利要求4所述的方法，其中所述引力函数为所述斥力函数为所述合力的函数为F(X)＝F
att
(X)+F
rep
(X)其中，
斥力分量F
rep1
(X)的方向由所述障碍物位置指向所述单架无人机，斥力分量F
rep2
(X)的方向由所述单架无人机指向所述目标位置，与引力同向。6.根据权利要求5所述的方法，其中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，张书源，刘博文，贾金豆，张潇榕，邢家熙，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：