[发明专利]一种防止机间碰撞的固定翼无人机编队的控制方法

权利要求书

1.一种防止机间碰撞的固定翼无人机编队的控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过GPS或者其他手段，获得各架无人机的三维位置信息；设计编队队形，获得队形中各个位置相对于虚拟领航者的相对距离信息；

步骤2：通过对位算法和步骤1中获得的数据，解算出每架无人机所对应的新队形中的位置：

2a：以所有无人机的几何中心为原点，X、Y、Z轴分别以倍翼展为轴向最小区间，将空间网格化，并对每一个网格进行三维坐标编号，三维网格坐标均是整数；

2b：将各个无人机在地面系下的坐标映射到网格空间中，获得各个无人机对应三维网格坐标系下的坐标：

(X_i,Y_i,Z_i)→(X_wi,Y_wi,Z_wi) i＝1,2,...,n (1)

其中(X_i,Y_i,Z_i)表示第i架无人机在地面坐标系下的坐标，(X_wi,Y_wi,Z_wi)表示第i架无人机在网格坐标系下对应的坐标；

2c：将新队形中的各个位置相对于虚拟领航者的期望相对距离向量转换到网格坐标系下：

(dX_j,dY_j,dZ_j)→(dX_wj,dY_wj,dZ_wj) j＝1,2,...,n (2)

其中(dX_j,dY_j,dZ_j)表示新队形中某一位置j，在地面坐标系下与虚拟领航者的期望相对距离，(dX_wj,dY_wj,dZ_wj)表示新队形中某一位置j，在网格坐标系下与虚拟领航者的期望相对距离；

2d：将无人机与队形位置进行排序对位；首先按照X_wi的大小将无人机从1到n编号，如果无人机的X_wi相等，再按照Y_wi的大小排列，以此类推，优先级按照X_wi→Y_wi→Z_wi；对n架无人机进行排序编号，每架无人机获得自己的编号S_i i∈1,2,...n；然后按照同样的方法对新队形的n个位置进行排序，优先级需与无人机优先级相同，新队形中每个位置获得自己的编号S_wi i∈1,2,...n；则拥有相同编号的无人机与队形位置匹配，即该无人机飞往匹配的队形位置；

步骤3：以一致性做为理论基础，同时引入本发明设计的斥力场信号，设计出无人机编队的速度指令信号：

其中表示第i架无人机和第j架无人机之间的斥力，表示第i架无人机受到的斥力指令信号，m是无人机质量，是一个控制参数，为两架无人机的距离，kq是正参数，用来调节曲线弯曲度，bc表示斥力场范围半径与翼展的比值，b表示翼展长度；

则无人机编队的速度指令信号为：

V_Di＝ΔV_ci+V_di (4)

其中是由一致性协议所求出的速度指令，是一致性协议与斥力场结合所获得的最终的速度指令信号；

步骤4：得到步骤3设计的速度指令后，以固定翼无人机的六自由度模型为基础，设计无人机的非线性控制器：

其中T_ci是发动机推力输入，m是无人机质量，D是阻力，γ是航迹倾斜角，α_ci是期望攻角，是期望无人机速度的导数，K_Si，λ_Si∈(0,1)是控制参数，x_1i＝[θ_i φ_i ψ_i]^T，x_2i＝[q_ip_i r_i]^T，x_1Di＝[θ_Di φ_Di ψ_Di]^T，e_oi＝x_1i-x_1Di，δ_cοi是舵偏输入；

p,q,r是机体坐标系下无人机转动角速度的三轴分量，φ,ψ,θ分别表示无人机的滚转角、偏航角、俯仰角，c₅＝I_z-I_x/I_y，c₆＝I_xz/I_y，c₇＝1/I_y，I_xz、I_x、I_y、I_z表示无人机对应的转动惯量，L,M,N表示无人机机体三轴所受力矩，δ_οi＝[δ_ei δ_ai δ_ri]^T表示三个舵偏角。