[发明专利]基于相对速度障碍的集群无人机避碰方法

说明书

本发明涉及无人机飞行器避碰技术领域，为实现无人机编队在任务过程中，保证编队内部不发生碰撞，并且在避碰之后能够回到先前的预定航路上。本发明提出的策略，通过建立四旋翼无人机轨迹姿态模型、设计协同控制策略及集群无人机避碰算法，实现集群无人机从初始位置到目标位置的安全飞行。为此，本发明采用的技术方案是，基于相对速度障碍的集群无人机避碰方法，步骤如下：第一部分，基于牛顿–欧拉方程的四旋翼无人机轨迹姿态模型建立；第二部分，分布式串级比例积分PID控制器设计；第三部分，集群无人机避碰算法设计：对控制器产生的期望速度进行优化，根据邻机的位置和速度产生新的避碰期望速度。本发明主要应用于无人机控制场合。

技术领域

本发明涉及无人机飞行器避碰技术领域，尤其涉及集群无人机避碰方法领域。

背景技术

无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)是一种近年来备受研究者关注的无人驾驶飞行器,其在执行搜索救援、监督执法、空中测绘和航空摄影等方面的潜在价值逐渐被挖掘利用。多无人机协同自主编队飞行是近年来的一个前沿领域,可充分利用有限单机资源,共同执行复杂任务。避碰问题是无人机编队(Unmanned Aerial Vehicle Team，UAV Team)执行任务时必须要解决的关键问题之一，是无人机获得航空监管部门授权，飞入通用空域的关键，也是无人机自主化进程中的关键环节。因此，世界各国正在大力推进相关技术的研究，包括美国空军和美国国防研究协会主导以协调无人机系统航空空域飞行为重点的重大项目，英国以航空工业界为主导的“自主系统技术相关空中评估”项目，以及由欧洲防务局组织实施的欧洲研究计划等。这些重大研究计划项目的核心便是无人机的避碰技术。

目前，国内外相关学者提出的集群无人机避碰方法主要有人工势场法、混合整数序列规划法和搜索论法。1)人工势场法：人工势场法的算法理念起源于物理学中的电场力作用原理，即将无人机个体看作存在于电场中的电子，无人机之间存在相互排斥的作用力从而保证期望的机间距离，无人机的运动方向和轨迹就是其所受到合力的方向。人工势场法于1986年一经提出，便得到了广泛的应用与关注。然而，人工势场法易陷入“局部困扰”。所谓“局部困扰”是指：对势场方程的简单选取极易使无人机在面对多架邻机时失去合力作用，进而在缺少驱动作用的情况下，使无人机的运动行为停滞或深陷于局部中无限徘徊。该种情况的发生即意味着无人机避碰失效。2)混合整数序列规划法：混合整数序列规划提前为每架无人机生成最优轨迹，将避碰表示为整数约束。这是一种集中式控制思想，它的局限性是每架无人机都需要知道其它所有无人机的起始位置和目标位置，以此来规划自身轨迹。因此，计算复杂度随无人机数量急剧增加，严重影响了算法的实时性。3)搜索论法：是以搜索论为基础的传统方法，最大化发现概率设计搜索航迹。通常，这样规划的航路是固定的，不具有实时动态规划的能力，一旦突发状况无法及时处理。方法同时存在一定的问题，不能在保证求解问题精度和提高问题的求解速度这两者间做出很好的平衡。

综上所述，使每架无人机在没有全局信息的情况下只依赖邻机信息实现集群无人机间的避碰尤为重要，因为只有这样才能使无人机避碰不受集群规模影响。针对现有避碰策略的不足，本发明首次提出了基于相对速度障碍的集群无人机避碰方法。该方法通过实时计算避碰期望速度，确保集群无人机由指定的起点，能够安全、无碰撞地朝着各自目标点飞行。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于相对速度障碍的集群无人机避碰方法，无人机编队在任务过程中，要求保证编队内部不发生碰撞，即在无人机执行各自任务时，无论是几架无人机同时相遇，都能够协同一致的相互避开，并且在避碰之后能够回到先前的预定航路上。本发明提出的策略，通过建立四旋翼无人机轨迹姿态模型、设计协同控制策略及集群无人机避碰算法，实现集群无人机从初始位置到目标位置的安全飞行。为此，本发明采用的技术方案是，基于相对速度障碍的集群无人机避碰方法，步骤如下：

第一部分，基于牛顿––欧拉方程的四旋翼无人机轨迹姿态模型建立：四旋翼飞行器是具有四个输入和六个自由度可实现垂直起降的欠驱动强耦合旋翼式飞行器，根据牛顿–欧拉方程对四旋翼飞行器进行了动力学建模；