一种垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法技术

本发明专利技术提供了一种垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，如下：建立各个工作模态对应的垂直起降无人机的微分平坦模型；初始化轨迹生成参数；确定无人机群任务规划结果与聚类中心；确定矢量圈半径与矢量圈位点；构建最优代价函数；得到最优轨迹生成矩阵；计算相应工作模态下的最优轨迹生成矩阵；将得到相应工作模态下的最优轨迹生成矩阵代入最优代价函数，得到相应工作模态下的轨迹过渡时间；将轨迹过渡时间输入轨迹计算公式，生成轨迹；检查生成的轨迹是否满足相应工作模态下的约束条件

【技术实现步骤摘要】
一种垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法


[0001]本专利技术涉及无人机
，更具体的，涉及一种垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法
。

技术介绍

[0002]垂直起降无人机
(Vertical Take
‑
off and Landing
，
VTOL)
融合了旋翼飞行器和固定翼飞行器各自的优点，具有垂直起降和固定翼高速巡航的能力
。
但由于
VTOL
无人机的多模态任务空间的动力学欠驱动和非线性的性质，以及运动持续时间
、
初末状态约束和非凸状态约束等复杂任务约束，这使得轨迹规划问题异常复杂
。
同时，不同的任务场景可能需要实时重新计算或调整轨迹，从而限制了可用于计算的时间
。
[0003]出于上述限制，
VTOL
无人机的轨迹规划难度较大
。
现有的一种解决的方法是采用数值迭代，通过不断求解微分方程为
VTOL
无人机设计过渡轨迹，使其满足动力学约束
。
但存在计算量大，难以实时部署的缺陷
。
另一种解决的方法是基于轨迹库的设计方法，轨迹库内包括两种轨迹
:
轨迹基元与机动自动机，分别用于平衡态的轨迹描述和连接运动基元的机动动作
。
但需要提前针对不同
VTOL
无人机设计不同轨迹库，较为复杂
。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决以上现有技术存在的不足与缺陷的问题，提供了一种垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其能生成多种轨迹，且计算时间短，算力要求低，易于实现与部署
。
[0005]为实现上述本专利技术目的，采用的技术方案如下：
[0006]一种垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，所述的方法包括步骤如下：
[0007]根据垂直起降无人机的工作模态，分别建立对应的垂直起降无人机的微分平坦模型；
[0008]初始化垂直起降无人机群的轨迹生成参数；
[0009]根据初始化的轨迹生成参数，采用聚类算法确定无人机群任务规划结果与聚类中心；
[0010]根据初始化的轨迹生成参数及聚类中心确定矢量圈半径与矢量圈位点；
[0011]建立包括轨迹末端时间与控制代价的代价函数，使得在满足约束条件下，控制代价最小以及飞行时间最短；根据代价函数得到最优代价函数；
[0012]根据轨迹计算公式，结合初端约束与末端约束得到最优轨迹生成矩阵；
[0013]在不同工作模态下，结合初端约束
、
巡航速度与矢量圈半径，或结合矢量圈位点与无人机群任务规划结果，或结合无人机的最后任务巡航点与每个无人机的降落点坐标，得到相应工作模态下的最优轨迹生成矩阵；
[0014]将得到相应工作模态下的最优轨迹生成矩阵代入最优代价函数，利用黄金分割法得到相应工作模态下的轨迹过渡时间；将轨迹过渡时间输入轨迹计算公式，生成相应工作
模态下的轨迹；
[0015]检查生成的轨迹是否满足相应工作模态下的约束条件，若不满足重新计算轨迹，若满足，则计算结束
。
[0016]本专利技术的有益效果如下：
[0017]本专利技术主要针对在多任务空间限制下的
VTOL
无人机的轨迹生成展开研究，提出了一种适用于不同模态的轨迹生成方法
。
该方法通过构建两点边界最优控制问题，以轨迹的控制代价与轨迹末端时间为优化目标，导出线性复杂度的解析解，生成多种轨迹并基于不同约束条件迅速验证其可行性，所提方法计算时间短，算力要求低，易于实现与部署
。
[0018]本专利技术考虑现有垂直起降无人机，如平行翼，
X
形翼以及一字翼垂直起降等都可以采用本专利技术生成各模态约束
。
[0019]本专利技术考虑垂直起降无人机执行任务的多模态约束，包括转巡航过渡模态，盘旋模态，转降落过渡模态，可生成一个执行完整任务的集群
VTOL
无人机轨迹
。
[0020]本专利技术的轨迹生成算法根据不同参数的目标函数，其包括轨迹跟踪控制代价与轨迹跟踪所需时间，可以同时满足轨迹末端时间
、
控制代价以及轨迹平滑度的要求，且轨迹生成无需求解运动学微分方程，求解时间短
。
附图说明
[0021]图1为本专利技术一种垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法的流程图
。
[0022]图2为本专利技术中矢量圈与矢量圈位点的示意图
。
[0023]图3为本专利技术另一种垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法的流程图
。
具体实施方式
[0024]以下将参照附图和优选实施例来说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效
。
本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变
。
应当理解，优选实施例仅为了说明本专利技术，而不是为了限制本专利技术的保护范围
。
[0025]需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目
、
形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态
、
数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂
。
[0026]实施例1[0027]如图1所示，一种垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，所述的方法包括步骤如下：
[0028]根据垂直起降无人机的工作模态，分别建立对应的垂直起降无人机的微分平坦模型；
[0029]初始化垂直起降无人机群的轨迹生成参数；
[0030]根据初始化的轨迹生成参数，采用聚类算法确定无人机群任务规划结果与聚类中心；
[0031]根据初始化的轨迹生成参数及聚类中心确定矢量圈半径与矢量圈位点；
[0032]建立包括轨迹末端时间与控制代价的代价函数，使得在满足约束条件下，控制代价最小以及飞行时间最短；根据代价函数得到最优代价函数；
[0033]根据轨迹计算公式，结合工作模态的初端约束与终端约束得到最优轨迹生成矩阵；
[0034]在不同工作模态下，结合初端约束
、
巡航速度与矢量圈半径，或结合矢量圈位点与无人机群任务规划结果，或结合无人机的最后任务巡航点与每个无人机的降落点坐标
P
land
，得到相应工作模态下的最优轨迹生成矩阵；
[0035]将得到相应工作模态下的最优轨迹生成矩阵代入最优代价函数，利用黄金分割法得到相应工作模态下的轨迹过渡时间；将轨迹过渡时间输入轨迹计算公式，生成相应工作模态下的轨迹；
[0036]检查生成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：所述的方法包括步骤如下：根据垂直起降无人机的工作模态，分别建立对应的垂直起降无人机的微分平坦模型；初始化垂直起降无人机群的轨迹生成参数；根据初始化的轨迹生成参数，采用聚类算法确定无人机群任务规划结果与聚类中心；根据初始化的轨迹生成参数及聚类中心确定矢量圈半径与矢量圈位点；建立包括轨迹末端时间与控制代价的代价函数，使得在满足约束条件下，控制代价最小以及飞行时间最短；根据代价函数得到最优代价函数；根据轨迹计算公式，结合初端约束与末端约束得到最优轨迹生成矩阵；在不同工作模态下，结合初端约束
、
巡航速度与矢量圈半径，或结合矢量圈位点与无人机群任务规划结果，或结合无人机的最后任务巡航点与每个无人机的降落点坐标，得到相应工作模态下的最优轨迹生成矩阵；将得到相应工作模态下的最优轨迹生成矩阵代入最优代价函数，利用黄金分割法得到相应工作模态下的轨迹过渡时间；将轨迹过渡时间输入轨迹计算公式，生成相应工作模态下的轨迹；检查生成的轨迹是否满足相应工作模态下的约束条件，若不满足重新计算轨迹，若满足，则计算结束
。2.
根据权利要求1所述的垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：所述垂直起降无人机的工作模态包括转巡航过渡模态
、
盘旋模态以及转降落过渡模态；所述微分平坦模型指的是一个非线性动力系统，如果存在一组系统输出，使得所有状态变量和系统输入能用所述系统输出及其有限阶微分表示，则系统非线性动力系统即为微分平坦模型；通过对垂直起降无人机进行运动学与动力学分析，分析各个工作模态的运动，针对转巡航过渡模态
、
盘旋模态以及转降落过渡模态分别建立微分平坦模型
。3.
根据权利要求1所述的垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：所述初始化垂直起降无人机群的轨迹生成参数，具体包括：初始化垂直起降无人机执行任务数量
N
；初始化任务巡航点的状态
S
T
数量
Tn
，其中状态
S
T
包括每一个巡航点的三维坐标
[x
i
,y
i
,z
i
]
，其中0＜
i
＜＝
Tn
；初始化轨迹生成所需参数，包括重力加速度
g、
初始权重
ρ
、
步长
Δρ
以及巡航最小速度
V
min
、
巡航最大速度
V
max
、
无人机的最大滚转角
Roll
max
、
无人机最大推重比最大滚转角速度
ω
max2
、
轨迹结束时
x
方向的位移
xf、
其增量
Δ
xf
以及最大能量转化率
Ce
max
。4.
根据权利要求2所述的垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：所述根据初始化的轨迹生成参数，采用聚类算法确定无人机群任务规划结果与聚类中心，具体如下：根据垂直起降无人机执行任务数量
N
与任务巡航点的数量
Tn
，以及其状态
S
T
＝
[x
i
,y
i
,z
i
]
，采用聚类算法为每个无人机分配其任务巡航点，得到任务规划结果
P
m
；所述任务规划结果
P
m
包括每个任务巡航点的三维坐标及其所属无人机，所述每个任务巡航点所属无人机作
为聚类中心；通过最短路径搜索算法获得每个任务巡航点对于所属无人机的巡航顺序
。5.
根据权利要求4所述的垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：所述根据初始化的轨迹生成参数及聚类中心确定矢量圈半径与矢量圈位点，具体如下：根据无人机群的起始坐标确定矢量圈圆心
r
r
＝
p
s
，其中
r
r
＝
[r
rx
,r
ry
]
；根据式
(9)
确定矢量圈半径，如下：
r
＝
k1*[(V
max
‑
V
min
)/2+V
min
]
ꢀꢀ
(9)
其中，
k1为常数；由此得到矢量圈的数学表达式：
(p
x
‑
r
rx
)2+(p
y
‑
r
ry
)2＝
r2；根据每个聚类中心与矢量圈圆心，得到极坐标：其中式中
P
i
为每个聚类中心的坐标；由此得到矢量圈位点的坐标为：其中，矢量圈位点的
z
坐标由聚类中心的
z
坐标确定
。6.
根据权利要求5所述的垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：建立最优代价函数，具体如下：先定义代价函数，公式表达式如下：式中，
u(t)
＝
j
表示无人机的控制输入，
j
表示跃度；
T
为轨迹末端时间，
ρ
为常系数，表示对轨迹末端时间的惩罚，在控制代价和总时间期望之间进行权衡，且
ρ
≥0
，
x(T)
为轨迹末端时间的无人机状态；
h
代表末端端状态约束，是对末端状态不满足的惩罚，
h(x(t))
的表达式如下：终端状态约束下，采用极小值原理，得到最优轨迹的虚拟输入
j
*
：将式
(13)
代入式
(12)
，得到最优代价函数：
7.
根据权利要求6所述的垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：所述根
据轨迹计算公式，结合初端约束与末端约束得到最优轨迹生成矩阵，具体如下：所述轨迹计算公式，如下：
s(t)<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏波，章广梅，王均春，朱威禹，胡森，汪胜，刘师师，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第七研究所，
类型：发明
国别省市：