[发明专利]一种大规模微型无人机的编队及控制方法

说明书

本发明公开一种大规模微型无人机的编队及控制方法，针对现有编队技术依赖精确定位信息的缺点；本发明利用两个独立的通信信道分别获取邻居无人机和队首无人机的状态信息以及编号信息，从而获取相邻无人机之间的距离以及无人机与队首之间的距离，同时引入相邻无人机之间的排斥力以及队首无人机产生的全局吸引力，通过调整无人机的位置，以使得每一架无人机受到的排斥力和吸引力平衡，从而建立稳定的编队队形；并且地面指挥者可以任意指定队首，队首具有足够的领导自由；控制开销与微型无人机的数量成线性比例，本发明方法具有良好的可扩展性，并且容忍分组丢包、信道延迟和定位不准确性。

技术领域

本发明属于无人机编队领域，特别涉及一种大规模无人机编队及控制技术。

背景技术

微型无人机体积微小、质量较轻，有着一般飞行器难以企及的隐蔽性、灵活性和便携性等特点，在军事和民用等领域都有着广阔的发展前景。军事方面，微型无人机可以在野外作战的复杂地形情况下进行侦察及监视，还可用于特殊环境下侦察建筑物内部情况，监视、监听、解救人质以及反恐怖行动等，所以在未来的国家战争中可以大规模的使用，具有重要战略价值。在民用方面，主要用于洪涝、森林火警以及地震等灾害的监测调查，以及民用航空拍摄、娱乐拍摄等。微型无人机的体型小意味着惯性更小，速度更快，受到撞击时也可以很快恢复，但小体型的代价却是搭载的传感器更少，单个飞行器能做的事情也有限。因此，需要大规模微型无人机群协同执行任务，弥补单架无人机的不足，扩大侦察范围、提高探测精度、增强协同工作能力等，因此微型无人机的编队技术具有重要研究意义。

这种大规模、低成本、多功能的无人机集群，既可以由人员远程指挥控制，也可以通过空中组网、自主控制、群智决策，应用于侦察干扰、探测感知、应急通信等支援领域，未来在反恐、远程突防等作战领域也有一席之地，大规模微型无人机的编队技术具有重要意义。但是，当微型无人机以编队模式一起执行任务时，微型无人机之间会存在相互影响，因此需要解决各个无人机之间信息沟通、交换、计算等难题，而且一旦编队中有一架微型无人机出现故障，由于故障机与其余微型无人机距离近，故障排除及风险规避的难度较大，一旦处置不当，将会对整个无人机编队造成牵连影响，这是目前微型无人机群需要解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种大规模微型无人机的编队及控制方法，基于力平衡建立稳定的无人机队形；并实现队首自由切换，容忍分组丢包，信道延迟和定位不准确性，克服了现有编队技术依赖精确定位信息的缺点。

本发明采用的技术方案为：一种大规模微型无人机的编队方法，每个无人机配置两个独立的通信信道，其中一个信道为近程通信信道，该近程通信信道覆盖相邻无人机的近程通信信道；另一个为远程通信信道，该远程通信信道覆盖整个机群的远程通信信道；

每个无人机通过近程通信信道获取邻居无人机的状态信息，根据某个无人机获取到的邻居无人机的状态信息计算该无人机受到的来自每一个邻居的排斥力；

每个无人机通过远程通信信道获取队首周期性广播的状态信息和编号信息，根据某个无人机获取到的队首的状态信息和编号信息计算来自队首的全局吸引力；

根据排斥力和吸引力的力平衡控制每个无人机当前的运动状态，基于力平衡建立以队首为中心的无人机编队队形。

进一步地，某个无人机受到的来自每一个邻居的排斥力的计算式为：

其中，d_ij为无人机i的坐标位置指向邻居无人机j的单位方向矢量，x_ij表示无人机i与邻居无人机j之间的距离α为第一斥力系数，α≥1，F_R为预先设置的固定排斥力。

进一步地，某个无人机受到来自队首的全局吸引力的计算式为：