[发明专利]一种基于Vicsek模型的飞行器集群调控方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于Vicsek模型的飞行器集群调控方法及装置，属于飞行器集群控制技术领域。本发明中，每个飞行器可以获取以自己为中心的探测半径范围内其它飞行器的状态信息，当飞行器进入冲突状态后，根据飞行器及其它飞行器的优先级顺序确定飞行器是按照Vicsek模型计算出的速度大小和方向运行还是静置，当飞行器或者其它飞行器朝着当前速度方向位移即可解除冲突时，即使飞行器的优先级较低也不会处于悬停状态，而会朝着当前的速度方向发生位移。本发明针对空中交通高密度、高复杂度的状况，实现了在多飞行器冲突环境下的自主集群飞行，对于确保飞行器飞行安全，降低飞行成本，增加空域容量，提高空中交通系统的运行效率具有重要的意义。

技术领域

本发明属于飞行器技术领域，涉及一种集群调控方法，具体的说，是指一种基于Vicsek模型的飞行器集群调控方法及装置。

背景技术

在存在已知及未知障碍的场景下，实现多个飞行器的集群调控是空中交通管理系统中的研究重点，一方面得避免飞行器与飞行器之间的冲突，飞行器之间的间隔距离不能小于该飞行器的冲突阈值，否则发生飞行冲突；另一方面在确保飞行安全的前提下，自主的使飞行器按照统一的速度方向进行飞行，可以使飞行器在飞行过程中保持队形，减小能源消耗，提高飞行效率。因此一套行之有效的飞行器集群调控方法对于空管安全和效率都至关重要。Vicsek模型是一个很自然的分析群集行为的理论框架，个体通过获取周围的信息来进行决策，进而实现集群调控。

发明内容

本发明提供一种基于Vicsek模型的飞行器集群调控方法及装置，每个飞行器可以获取以自己为中心的一定范围内其它飞行器的状态信息，并且采取自己以及检测到的其它飞行器的平均速度和方向作为飞行器下一个时间步的飞行方向，从而实现飞行器的自主集群调控。飞行器在确定下一个时间步的飞行状态时还需考虑是否存在冲突，当飞行器检测出与任意一个其它的飞行器之间的距离小于或者等于飞行器的冲突阈值时，则该飞行器进入冲突状态。当飞行器进入冲突状态后，根据飞行器及其它飞行器的优先级顺序确定飞行器是按照Vicsek模型计算出的速度大小和方向运行还是静置，即当飞行器的优先级比较低的时候，飞行器处于悬停状态或半速飞行，而其它飞行器将先行，当飞行器的优先级比较高的时候，该飞行器则先行，而其它飞行器处于悬停状态或半速飞行。进一步地，当飞行器或者其它飞行器朝着当前速度方向位移即可解除冲突时，即使飞行器的优先级较低也不会处于悬停状态，而会朝着当前的速度方向发生位移。我们的最终目标是使得所有的飞行器可以按照统一的速度方向进行飞行。

具体的，所述的基于Vicsek模型的飞行器集群调控方法，包括如下步骤：

步骤1：根据Vicsek模型，计算出飞行器在下一时间步的可能的运行速度大小和方向；

步骤2：根据冲突探测模块，检测飞行器是否存在冲突，如果有冲突执行下一步操作，若无冲突转到步骤4；

步骤3：对场景中的飞行器进行优先级排序；根据优先级判断存在冲突的飞行器是选择悬停状态还是按照Vicsek模型计算出的速度大小和方向发生位移。

步骤4：飞行器通过自主调控模块，按照确定好的下一时间步的真实运行速度大小v_r和速度方向θ飞行。

步骤5：判定飞行器群体是否达到目标(即所有飞行器速度方向的最大偏差角度在5度以内)，若未达到目标，重复步骤1；若达成目标，完成。

本发明还提供一种基于Vicsek模型的飞行器集群调控装置，包括信息获取模块、更新速度模块、冲突探测模块、冲突解脱模块、自主调控模块和地面观测模块。

本发明的优点在于：

(1)本发明针对空中交通高密度、高复杂度的状况，实现了在多飞行器冲突环境下的自主集群飞行，这为飞行器集群调控问题的解决提出了一个全新的方案。