一种基于固定翼集群无人机在线分组的相位协同规划方法技术

本发明专利技术公开了一种基于固定翼集群无人机在线分组的相位协同规划方法，其包括：当前时刻，若固定翼集群无人机的编队重组时，计算下一时刻的长机的状态信息以及各僚机相对长机的位置和方向；其中，重组包括拆分或合并；根据下一时刻的长机的状态信息以及各僚机相对长机的位置和方向，计算得到一级权重；基于固定翼集群无人机的编队的队形和编队中无人机之间的相对位置，计算次级权重；基于一级权重和次级权重，计算得到权重矩阵；基于权重矩阵，采用二分图最佳匹配算法，得到无人机的相位规划。本发明专利技术能够在固定翼集群飞行编队重构时，提高集群式固定翼无人机飞行效率和飞行安全性，自适应进行阶段协调规划，保证编队飞行的连续性和稳定性。连续性和稳定性。连续性和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于固定翼集群无人机在线分组的相位协同规划方法


[0001]本专利技术涉及无人机
，特别是一种基于固定翼集群无人机在线分组的相位协同规划方法。

技术介绍

[0002]近年来，无人机技术由于无人机的运动特征灵活、相对于传统飞行的成本更低、产业作用广泛等原因，受到了广泛的关注。对于无人机而言，目前的产品已经得到了对于单体而言的性能、功效、控制方面的大幅度提升。同时由于硬件的迭代、分布式系统、组网通信技术的大力发展，集群无人机也被应用于工业、飞行表演、信号传输等领域。
[0003]其中旋翼无人机应用相对成熟，而固定翼无人机由于其高机动性、航速快、航程大、负载更强的性质在工业、农业、救援和科学研究方面具备更广泛的前景。在固定翼集群无人机的飞行过程中，如何使得集群无人机能得到有效、快速和稳定的控制是一类经典问题。
[0004]对于固定翼集群无人机而言，由于执行任务、避障、航路重新规划导致其编队的拆分和合并是一种常见的情况，对于传统的飞行控制领域，需要通过控制率控制单机进行航行，对于长
‑
僚机的集群飞行状态而言，飞行中需要尽可能避免撞击等危险情况发生，而防撞措施会导致集群飞行状态的不稳定波动，从而引发飞行任务的执行慢、控制集群协同飞行困难的问题。对于固定翼集群无人机飞行过程中，并没有一种专向稳定的协同相位控制办法来协调这种编队重构的实施问题。

技术实现思路

[0005]鉴于此，本专利技术提供了一种基于固定翼集群无人机在线分组的相位协同规划方法，以解决上述技术问题。/>[0006]本专利技术公开了一种基于固定翼集群无人机在线分组的相位协同规划方法，其包括以下步骤：步骤1：当前时刻，若固定翼集群无人机的编队重构时，计算下一时刻的长机的状态信息以及各僚机相对长机的位置和方向；其中，重构包括拆分或合并；步骤2：根据下一时刻的长机的状态信息以及各僚机相对长机的位置和方向，计算得到一级权重；步骤3：基于固定翼集群无人机的编队的队形和编队中无人机之间的相对位置，计算次级权重；步骤4：基于一级权重和次级权重，计算得到权重矩阵；步骤5：基于权重矩阵，采用二分图最佳匹配算法，得到无人机的相位规划。
[0007]进一步地，所述步骤1包括：获取每架无人机的状态信息并记录其编队和属于长机或僚机；所述状态信息包括位置、速度、加速度、方向；
根据固定翼集群无人机分队或合并编队的情况，确定下一时刻的长机和僚机；对于长机，根据其当前状态信息和预设的飞行计划，通过动力学方程的方法，计算其下一时刻的状态信息；对于每个僚机，根据下一时刻长机的位置和方向信息，计算僚机相对长机的位置和方向；而僚机不需要通过自身的状态来计算下一时刻的状态信息。
[0008]进一步地，所述对于长机，根据其当前状态信息和预设的飞行计划，通过动力学方程的方法，计算其下一时刻的状态信息，包括：根据长机当前的受力，计算其所受风阻的大小和方向，分解为x、y、z，分别计算x、y、z方向的合力及外力分量，分别记为Fx_total、Fy_total、Fz_total；利用动力学方程计算出下一时刻长机的位置、速度和加速度；根据x、y、z三个方向的长机质量以及Fx_total、Fy_total、Fz_total，利用动力学方程计算长机下一时刻的坐标：其中，x、y、z分别表示当前时刻长机在x、y、z三个方向的位置，、、分别表示下一时刻长机在x、y、z三个方向的位置，、、分别表示长机在x、y、z三个方向上的速度，、、分别表示长机在x、y、z三个方向的加速度，表示时间间隔。
[0009]进一步地，所述步骤2包括：确定固定翼集群无人机的编队间距；所述编队间距包括水平间距和垂直间距；对于每架无人机，将其当前时刻的相位与下一时刻所有其它无人机的相位之间的距离作为距离矩阵的一行；对于每架无人机，计算其在所述距离矩阵中的行向量；根据所述距离矩阵中每个元素的值，计算当前时刻的每架无人机与下一时刻其它无人机之间的权重；按照权重的计算方法以此类推，分别得到当前时刻所有无人机的相对位置到下一时刻所有无人机的相对位置的一级权重矩阵。
[0010]进一步地，计算公式为：其中，表示固定翼集群无人机中的无人机A到无人机Z的一级权重，、、
分别表示下一时刻的无人机Z的x轴坐标、y轴坐标和z轴坐标，、、分别表示当前时刻的无人机A的x轴坐标、y轴坐标和z轴坐标，l和d分别表示标准水平间距和高差，表示乘号。
[0011]进一步地，所述步骤3包括：将固定翼集群无人机的编队中不同无人机之间的相对位置抽象为槽位，对于越前方的相对位置，槽位号越小；对于不同的编队，槽位号带来不同的权重曲线，依照权重曲线，不同的队形中，槽位变化量和权重形成一个函数，依照函数定义次级权重。
[0012]进一步地，对于次级权重的计算，根据不同的编队拟合不同的次级权重曲线：竖|字队形中，每架无人机均趋向于前方的相对位置，而对于相对位置更远的前方位置，以当前槽位减下一时刻槽位的差为，对于前方的相对位置，此时拟合的曲线设置为：对于横向对称的队形，每架飞机趋向前一排以及同一侧的相对位置，对于同一侧的相对位置和槽位，增加一个二级权重：其中，为基础权重，为取模运算符，表示乘号；对于三角形队形，每架固定翼无人机都趋向于前一行的相对位置，以表示当前时刻相对位置对于下一时刻相对位置在三角形队形中任一行的行序号差值；每架固定翼集群无人机都对前一行更感兴趣，但同时对于前一行另一侧的相对位置表现得相对不感兴趣，增加一个二级权重为：。
[0013]进一步地，所述步骤4包括：将一级权重和次级权重构合成一个权重向量，即：假设一级权重向量为W_1，二级
权重向量为W_2，合并后的权重向量为W=alphaw_1+(1
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alpha)w_2；alpha是权重系数，用来控制一级权重和二级权重向量的相对重要性；表示乘号；构建权重矩阵：将权重向量重复n次，得到一个nn的权重矩阵M；其中，n为重构后的固定翼无人机个数；权重矩阵M的第i行j列的元素m
ij
等于W
ij
，表示当前时刻第i号无人机相对于下一时刻第j号无人机相对位置的权重；归一化权重矩阵：权重矩阵的每一行代表无人机下一时刻相对于所有无人机相对位置的权重，每一行的权重值加起来为1；使用求和后求商的方法实现。
[0014]进一步地，所述步骤5包括：通过重构现有的固定翼无人机，将利用得到的多级权重矩阵通过行二分图最佳匹配算法计算，将问题抽象为点到点的权重最优解计算问题，依次得到每架固定翼集群无人机的最优选择相位；若求解失败，则将执行增广路计算的方案，使得每架飞机的权重矩阵得到更新，直到求解出每架固定翼无人机的不冲突最优解矩阵；至此所有固定翼集群无人机将按照计算所得的最优解矩阵进行飞行。
[0015]进一步地，通过KM算法得到每一个无人机对于下一时刻相位的趋向最优解：对于权重矩阵M，n为无人机数量，X为当前时刻每架无人机的位置，Y为下一时刻每架无人机对应的相对位置，则计算Y的步骤为：1）将权重矩阵M变换为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于固定翼集群无人机在线分组的相位协同规划方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：当前时刻，若固定翼集群无人机的编队重构时，计算下一时刻的长机的状态信息以及各僚机相对长机的位置和方向；其中，重构包括拆分或合并；步骤2：根据下一时刻的长机的状态信息以及各僚机相对长机的位置和方向，计算得到一级权重；步骤3：基于固定翼集群无人机的编队的队形和编队中无人机之间的相对位置，计算次级权重；步骤4：基于一级权重和次级权重，计算得到权重矩阵；步骤5：基于权重矩阵，采用二分图最佳匹配算法，得到无人机的相位规划。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1包括：获取每架无人机的状态信息并记录其编队和属于长机或僚机；所述状态信息包括位置、速度、加速度、方向；根据固定翼集群无人机分队或合并编队的情况，确定下一时刻的长机和僚机；对于长机，根据其当前状态信息和预设的飞行计划，通过动力学方程的方法，计算其下一时刻的状态信息；对于每个僚机，根据下一时刻长机的位置和方向信息，计算僚机相对长机的位置和方向；而僚机不需要通过自身的状态来计算下一时刻的状态信息。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对于长机，根据其当前状态信息和预设的飞行计划，通过动力学方程的方法，计算其下一时刻的状态信息，包括：根据长机当前的受力，计算其所受风阻的大小和方向，分解为x、y、z，分别计算x、y、z方向的合力及外力分量，分别记为Fx_total、Fy_total、Fz_total；利用动力学方程计算出下一时刻长机的位置、速度和加速度；根据x、y、z三个方向的长机质量以及Fx_total、Fy_total、Fz_total，利用动力学方程计算长机下一时刻的坐标：其中，x、y、z分别表示当前时刻长机在x、y、z三个方向的位置，、、分别表示下一时刻长机在x、y、z三个方向的位置，、、分别表示长机在x、y、z三个方向上的速度，、、分别表示长机在x、y、z三个方向的加速度，表示时间间隔，表示乘号。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括：确定固定翼集群无人机的编队间距；所述编队间距包括水平间距和垂直间距；
对于每架无人机，将其当前时刻的相位与下一时刻所有其它无人机的相位之间的距离作为距离矩阵的一行；对于每架无人机，计算其在所述距离矩阵中的行向量；根据所述距离矩阵中每个元素的值，计算当前时刻的每架无人机与下一时刻其它无人机之间的权重；按照权重的计算方法以此类推，分别得到当前时刻所有无人机的相对位置到下一时刻所有无人机的相对位置的一级权重矩阵。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括：将固定翼集群无人机的编队中不同无人机之间的相对位置抽象为槽位，对于越前方的相对位置，槽位号越小；对于不同的编队，槽位号带来不同的权重曲线，依照权重曲线，不同的队形中，槽位变化量和权重形成一个函数，依照函数定义次级权重。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对于次级权重的计算，根据不同的编队拟合不同的次级权重曲线：竖|字队形中，每架无人机均趋向于前方的相对位置，而对于相对位置更远的前方位置，以当前槽位减下一时刻槽位的差为，对于前方的相对位置，此时拟合的曲线设置为：对于横向对称的队形，每架飞机趋向前一排以及同一侧的相对位置，对于同一侧的相对位置和槽位，增加一个二级权重：其中，为基础权重，为取模运算符，表示乘号；对于三角形队形，每架固定翼无人机都趋向于前一行的相对位置，以表示当前时刻相对位置对于下一时刻相对位置在三角形队形中任一行的行序号差值；每架固定翼集群无人机都对前一行更感兴趣，但同时对于前一行另一侧的相对位置表现得相对不感兴趣，增加一个二级权重为：
。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4包括：将一级权重和次级权重构合成一个权重向量，即：假设一级权重向量为W_1，二级权重向量为W_2，合并后的权重向量为W=alphaw_1+(1
‑
alpha)w_2；alpha是权重系数，用来控制一级权重和二级权重向量的相对重要性；表示乘号；构建权重矩阵：将权重向量重复n次，得到一个nn的权重矩阵M；其中，n为重构后的固定翼无人机个数；权重矩阵M的第i行j列的元素m
ij
等于W
ij
，表示当前时刻第i号无人机相对于下一时刻第j号无人机相对位置...

【专利技术属性】
技术研发人员：卲金钇，宁文辉，宋艳平，李劲杰，刘紫微，陆艳辉，
申请(专利权)人：四川腾盾科技有限公司，
类型：发明
国别省市：