[发明专利]一种无人机编队飞行方法及控制系统

权利要求书

1.一种无人机编队飞行方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于单机动态运动模型构建无人机编队中长机与每架僚机的相对运动模型，确定无人机的飞行编队；

设定每架僚机的饱和函数，根据每架无人机的航向期望值和高度期望值，结合稳定状态下每架无人机的单机动态运动模型以及饱和函数，确定每架无人机按航迹飞行时的俯仰控制量和滚转控制量，在俯仰控制量和滚转控制量的作用下，使长机无人机按航线飞行时，僚机能够跟随长机按照期望的高度和航向进行编队飞行；

根据设定的无人机与目标位置之间相互作用的虚拟作用函数F1、各无人机之间相互影响的虚拟作用函数F2，以及无人机与障碍物之间相互影响的虚拟作用函数F3，重构无人机稳定状态下的单机动态运动模型；

所述虚拟作用函数F1、虚拟作用函数F2和虚拟作用函数F3的表达式分别如下：

式中，ξ_i为第i架无人机的位置，ξ_j为目标位置，L_ig为实际位置和期望位置之间的距离，L_ij为第i架无人机和第j架无人机之间的距离，f_f和k_f为自定义参数；

无人机编队避障时，重构的稳定状态的单机动态运动模型输出每架无人机避障时的俯仰控制量和滚转控制量，无人机根据各自的俯仰控制量和滚转控制量进行避障飞行。

2.根据权利要求1所述的一种无人机编队飞行方法，其特征在于，采用欧拉-拉格朗日方法构建单机动态运动模型，表达式如下：

其中，τ_ψ、τ_θ、τ_φ分别为偏航、俯仰和滚转力矩，u为总体推力，m为每架四旋翼无人机的质量，g为重力加速度。

3.根据权利要求1所述的一种无人机编队飞行方法，其特征在于，所述相对运动模型的构建方法如下：

建立以长机为参考的惯性坐标系，根据惯性坐标系中长机的坐标、僚机的坐标以及长机与僚机在机体坐标系中(x,y,z)三个方向上的距离，构建长机与僚机的相对运动模型。

4.根据权利要求3所述的一种无人机编队飞行方法，其特征在于，所述长机和僚机的相对运动关系为：

其中，(x_L,y_L,z_L)为长机在惯性坐标系中的坐标，(x_F,y_F,z_F)为每架僚机在惯性坐标系中的坐标，(Δx_L,Δy_L,Δz_L)为长机与僚机在机体坐标系中(x,y,z)三个方向上的距离，T₁(χ_L)、T₂(γ_L)为坐标变换矩阵。

5.根据权利要求1或4所述的一种无人机编队飞行方法，其特征在于，所述无人机按航线在期望的高度和航向上编队飞行的方法具体如下：

根据无人机之间的相对运动模型，以及无人机的高度期望值和航向期望值确定高度控制量和航向控制量；

根据高度控制量和航向控制量，结合饱和函数和无人机稳定状态的单机动态运动模型，计算得到每架无人机的俯仰控制信号和滚转控制信号；

根据航向控制量、高度控制量、俯仰控制量和滚转控制量，使无人机在期望的高度和航向按照步骤1的编队飞行模式进行飞行。

6.根据权利要求5所述的一种无人机编队飞行方法，其特征在于，所述饱和函数的表达式如下：

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7.根据权利要求5所述的一种无人机编队飞行方法，其特征在于，所述俯仰控制量和滚转控制量的表达式如下：

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