一種無(wú)人機(jī)密集自主編隊(duì)的隊(duì)形變換方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種適用于無(wú)人機(jī)密集自主編隊(duì)的隊(duì)形變換方法，屬于飛行控制【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于透光性假說(shuō)的LMPC編隊(duì)控制器，能在無(wú)人機(jī)密集編隊(duì)的間距小于所設(shè)定的安全距離時(shí)有效地起到防碰撞作用；本發(fā)明提出的基于隊(duì)形狀態(tài)的密集編隊(duì)的隊(duì)形變換方法，解決了某些無(wú)人機(jī)在達(dá)成期望值的過(guò)程中容易與其它無(wú)人機(jī)發(fā)生沖突的問(wèn)題，尤其是在密集編隊(duì)間距較小的情形，即把容易沖突的因素直接變換分解為若干不易沖突的子變換來(lái)減弱隊(duì)形變換的不穩(wěn)定因素。在密集編隊(duì)隊(duì)形的各種改變下，有效的防止了編隊(duì)隊(duì)形中無(wú)人機(jī)的碰撞問(wèn)題，這對(duì)于無(wú)人機(jī)在密集自主編隊(duì)的隊(duì)形變換方面具有實(shí)際工程意義。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種無(wú)人機(jī)密集自主編隊(duì)的隊(duì)形變換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明首次提出一種無(wú)人機(jī)密集自主編隊(duì)的隊(duì)形變換方法，屬于飛行控制【技術(shù)領(lǐng)域】。具體涉及一種適用于無(wú)人機(jī)密集自主編隊(duì)的兼顧整體利益和避碰能力的隊(duì)形變換方法。
【背景技術(shù)】
[0002]利用地形地貌掩護(hù)，在狹長(zhǎng)的安全通道中以扁平的密集編隊(duì)形式飛抵任務(wù)區(qū)，是高密集度無(wú)人機(jī)編隊(duì)的主要工作樣式之一，此時(shí)在這種扁平的密集編隊(duì)中無(wú)人機(jī)之間、無(wú)人機(jī)與障礙之間發(fā)生碰撞的概率增大。為了滿(mǎn)足任務(wù)要求和地形地貌的跟隨需要，密集編隊(duì)必須適時(shí)地變換隊(duì)形，而扁平的密集編隊(duì)形式相當(dāng)于整個(gè)編隊(duì)在垂直方向幾乎沒(méi)有避碰機(jī)動(dòng)的自由空間，整個(gè)編隊(duì)只能在水平方向進(jìn)行避碰機(jī)動(dòng)，這相當(dāng)于在縱向是無(wú)限密集的，沒(méi)有避碰機(jī)動(dòng)的自由空間的，是不能通過(guò)調(diào)整飛行高度的方法進(jìn)行避碰機(jī)動(dòng)的，因此在二維水平面內(nèi)密集編隊(duì)的隊(duì)形變換和避碰問(wèn)題是最為復(fù)雜的基礎(chǔ)性問(wèn)題，這對(duì)編隊(duì)控制器性能提出了很高的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供一種無(wú)人機(jī)密集自主編隊(duì)的隊(duì)形變換方法，所述隊(duì)形變換方法中，編隊(duì)隊(duì)形的改變方式至少包括隊(duì)形的保持、重構(gòu)、拆分和變換，它們之間既有聯(lián)系又有著細(xì)微的差別，下面分別給出相關(guān)的定義。
[0004]定義1:隊(duì)形拆分，是根據(jù)具體需求把幾何構(gòu)型和組織結(jié)構(gòu)上作為一個(gè)整體的大編隊(duì)分解為若干個(gè)規(guī)模較小的子編隊(duì)，進(jìn)而分別執(zhí)行各小編隊(duì)具體上層任務(wù)的過(guò)程。在拆分中，小編隊(duì)基本保留了其在原來(lái)大編隊(duì)中的幾何構(gòu)型；
[0005]定義2:隊(duì)形重構(gòu)，是指編隊(duì)中某一無(wú)人機(jī)受損或故障離隊(duì)后對(duì)編隊(duì)進(jìn)行的幾何構(gòu)型和組織結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整過(guò)程，往往所涉及的調(diào)整范圍和無(wú)人機(jī)數(shù)量均較少。
[0006]定義3:隊(duì)形保持，是指在編隊(duì)飛行過(guò)程中維持編隊(duì)的幾何形狀基本不變，或者說(shuō)使編隊(duì)在發(fā)生一定限度內(nèi)的隊(duì)形形變或無(wú)人機(jī)之間關(guān)系異常后能夠復(fù)原。隊(duì)形保持是現(xiàn)階段研究較多的一個(gè)課題，例如，基于PID的編隊(duì)控制器和基于MPC的編隊(duì)控制器實(shí)際上都屬于一種編隊(duì)隊(duì)形保持控制器，它們的直接作用效果是使無(wú)人機(jī)與其參考位置趨于一致，在各無(wú)人機(jī)與其參考位置存在偏差的時(shí)候，編隊(duì)隊(duì)形保持控制器通過(guò)某種控制方法來(lái)糾正這個(gè)偏差，比如在編隊(duì)機(jī)動(dòng)的過(guò)程中維持編隊(duì)的幾何構(gòu)形或在編隊(duì)進(jìn)行避障行為后重新恢復(fù)原編隊(duì)隊(duì)形；
[0007]定義4:隊(duì)形變換，是指編隊(duì)出于某種需要主動(dòng)地從一種隊(duì)形切換到另一種隊(duì)形的過(guò)程，往往涉及到的無(wú)人機(jī)數(shù)量較多，隊(duì)形變換前后差別較大。
[0008]本發(fā)明提供了一種無(wú)人機(jī)密集自主編隊(duì)的隊(duì)形變換方法，所述方法包括如下步驟:
[0009]第一步，建立透光性生成協(xié)議。[0010]本發(fā)明通過(guò)對(duì)鳥(niǎo)群密度的分布特點(diǎn)進(jìn)行分析，得出鳥(niǎo)群密度、碰撞威脅感、自由空間三者的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)而提出基于仿生的密集群體防碰撞機(jī)理的透光性假說(shuō)。對(duì)于飛行器編隊(duì)來(lái)說(shuō)，透光性的大小可以通過(guò)獲得自由空間的可能性大小來(lái)衡量，本發(fā)明用自由空間類(lèi)比“光”，用透光系數(shù)來(lái)表征透光性，用透光系數(shù)的生成過(guò)程來(lái)模仿透光的過(guò)程，進(jìn)而提出了透光性生成協(xié)議，計(jì)算表征編隊(duì)中各節(jié)點(diǎn)透光性的透光系數(shù)。
[0011]第二步，建立LMPC編隊(duì)控制器；
[0012]把編隊(duì)中節(jié)點(diǎn)ε i的編隊(duì)控制系統(tǒng)由雙節(jié)點(diǎn)(ε i與領(lǐng)航點(diǎn))運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)模型擴(kuò)展成包含所有近鄰(ε 1與叭ε ” kmax -ds))的局部運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)模型，基于該局部運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)模型的控制方法即網(wǎng)絡(luò)化自主編隊(duì)的局部模型預(yù)測(cè)控制器(LMPC編隊(duì)控制器)。參照動(dòng)物行為按照相距其它同類(lèi)的距離劃分為排斥區(qū)、保持區(qū)和吸引區(qū)的做法，把在線優(yōu)化的代價(jià)函數(shù)的權(quán)重ω Ij設(shè)計(jì)為節(jié)點(diǎn)ε j和每個(gè)近鄰節(jié)點(diǎn)ε」相對(duì)距離(Iij的函數(shù)OijZf ((Iij),威脅認(rèn)定間距kmin.ds和近鄰認(rèn)定間距kmax.ds為f安排節(jié)點(diǎn)ε i周?chē)呐懦鈪^(qū)、保持區(qū)和吸引區(qū)的參數(shù)。對(duì)于領(lǐng)航點(diǎn)ε L,它對(duì)跟隨節(jié)點(diǎn)沒(méi)有反向跟隨的義務(wù)，即領(lǐng)航點(diǎn)是“自私的”。對(duì)于跟隨節(jié)點(diǎn)Si，其與領(lǐng)航點(diǎn)4的權(quán)重存在一個(gè)最小值，這個(gè)最小值與其它節(jié)點(diǎn)相互間正常情況下的權(quán)重最大值相當(dāng)，即對(duì)ε ^表現(xiàn)出“信任”，這樣能保證對(duì)q的跟隨效果。權(quán)重決策之后，節(jié)點(diǎn)ε 1通過(guò)在線解一個(gè)線性不等式約束條件下的二次規(guī)劃(Quadratic programming, QP)問(wèn)題得到LMPC的最優(yōu)控制量Ui作為指令作用于內(nèi)環(huán)飛行控制系統(tǒng)。
[0013]第三步，將LMPC編隊(duì)控制器與透光系數(shù)相結(jié)合，給出碰撞規(guī)避算法。
[0014]為了使節(jié)點(diǎn)Si具有顧及整體利益的能力，將LMPC編隊(duì)控制器和透光系數(shù)相結(jié)合，給出令節(jié)點(diǎn)Si遵循透光性假說(shuō)的原理進(jìn)行規(guī)避行為的一個(gè)實(shí)現(xiàn)算法(透光規(guī)避算法)，原理即判斷碰撞威脅程度是否達(dá)到閾值，達(dá)到閾值后對(duì)于有自由空間的節(jié)點(diǎn)，間距指令向其自由空間張角 對(duì)角線方向增大一個(gè)閾值；對(duì)于沒(méi)有自由空間的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用透光系數(shù)最大的近鄰節(jié)點(diǎn)的間距指令。當(dāng)碰撞威脅程度降到閾值以下時(shí)恢復(fù)原指令。
[0015]第四步:基于隊(duì)形狀態(tài)的編隊(duì)隊(duì)形變換方法；
[0016]編隊(duì)隊(duì)形可以用各無(wú)人機(jī)相對(duì)領(lǐng)航點(diǎn)的位置矩陣F來(lái)描述，從初始隊(duì)形F1到目標(biāo)隊(duì)形Fr的變換過(guò)程中，如果存在盡可能少的一系列子隊(duì)形Fi,使得從F(i_D到匕的直接變換過(guò)程中各無(wú)人機(jī)產(chǎn)生碰撞的概率小于特定閾值，則稱(chēng)F = (F1, F^FJ是從F1到Fr的一個(gè)隊(duì)形狀態(tài)轉(zhuǎn)移變換。當(dāng)編隊(duì)處于某一隊(duì)形狀態(tài)時(shí)，如果編隊(duì)指標(biāo)小于預(yù)設(shè)值時(shí)則觸發(fā)下一狀態(tài)的子變換。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0018]根據(jù)本發(fā)明所提出的基于隊(duì)形狀態(tài)的編隊(duì)隊(duì)形變換方法，可以有效降低編隊(duì)隊(duì)形變換過(guò)程中的碰撞概率。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1:本發(fā)明提供的基于隊(duì)形狀態(tài)的編隊(duì)隊(duì)形變換流程圖；
[0020]圖2:傳統(tǒng)跟隨與近鄰跟隨模式的相互作用區(qū)別；
[0021]圖3:編隊(duì)初始隊(duì)形與目標(biāo)隊(duì)形位置坐標(biāo)圖；
[0022]圖4:正六邊形編隊(duì)到直線編隊(duì)的隊(duì)形變換狀態(tài)；
[0023]圖5:基于隊(duì)形狀態(tài)的編隊(duì)隊(duì)形變換方法仿真；[0024]圖6:隊(duì)形狀態(tài)變換中無(wú)人機(jī)4與其它無(wú)人機(jī)的距離；
[0025]圖7:隊(duì)形狀態(tài)變換中無(wú)人機(jī)I與其它無(wú)人機(jī)的距離；
[0026]圖8:隊(duì)形狀態(tài)變換中無(wú)人機(jī)7與其它無(wú)人機(jī)的距離。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0028]本發(fā)明提供的無(wú)人機(jī)密集自主編隊(duì)的隊(duì)形變換方法，所述方法包括如下步驟:
[0029]第一步，建立密集群體防碰撞機(jī)理的透光性假說(shuō)一透光性生成協(xié)議；
[0030]對(duì)于飛行器編隊(duì)來(lái)說(shuō)，透光性的大小可以通過(guò)獲得自由空間的可能性大小來(lái)衡量，本發(fā)明用自由空間類(lèi)比“光”，用透光系數(shù)C來(lái)表征透光性，用透光系數(shù)的生成過(guò)程來(lái)模仿透光的過(guò)程。具體地說(shuō)，密集編隊(duì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以用圖G= (Ε, ε)來(lái)表示，E為邊集；ε為節(jié)點(diǎn)集；Clij則表示節(jié)點(diǎn)集內(nèi)節(jié)點(diǎn)Si與節(jié)點(diǎn)％_的距離；節(jié)點(diǎn)的近鄰節(jié)點(diǎn)的集合SNbi, kmax.ds)，即滿(mǎn)足任取 SjeNbi, kmax.ds)，有 di」(kmax.ds, kmax 為間距的近鄰認(rèn)定調(diào)整系數(shù)，ds為安全距離(一般密集編隊(duì)kmax e (1，1.5]);圖G的邊界點(diǎn)的集合為B(G, kmax-ds),連接認(rèn)定距離取為kmax-ds。顯然,在密集編隊(duì)中當(dāng)節(jié)點(diǎn)SiGB(Gjmax-Cls)時(shí)具有較多的自由空間，而節(jié)點(diǎn)& mC, k職—.ds)時(shí)幾乎沒(méi)有自由空間，設(shè)ε i在二維平面內(nèi)自由空間張角為 A ( ε J = Z ε ^ ε i ε η，其中 ε ε η e Ν( ε i； kmax.ds)，且 ε ^ 與 ε η 到A(Si)對(duì)角線的距離( 即從ε m，ε n向所述對(duì)角線做垂直線所得到的垂線段的長(zhǎng)度)都大于kmin ^dskmin為間距的威脅認(rèn)定調(diào)整系數(shù)。ε 透光性可以理解為透光概率，即^落入自由空間的概率，設(shè)為P{eJ，而二維平面內(nèi)^的自由空間或“光”在[0，2π]上服從均勻分布，則可定義當(dāng)ε i e B(G,kmax*ds)時(shí)，節(jié)點(diǎn)ε ,的透光系數(shù)C{ ε J為節(jié)點(diǎn)ε ,的透光概率，即，
【權(quán)利要求】
1.一種無(wú)人機(jī)密集自主編隊(duì)的隊(duì)形變換方法，其特征在于:所述對(duì)形變換方法包括如下步驟，第一步，建立透光性生成協(xié)議； 表征編隊(duì)中節(jié)點(diǎn)ε i透光性的透光系數(shù)為:
【文檔編號(hào)】G05D1/00GK103941728SQ201410169632
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】吳森堂, 吳鐘博, 賈翔, 杜陽(yáng) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)