[发明专利]一种无人机编队飞行方法及控制系统

说明书

本发明提出了一种无人机编队飞行方法及控制系统，将无人机编队队形保持和避障飞行结合起来，使得无人机编队在无障碍物时能够保持预设队形进行飞行，而在遇到障碍物时能够进行编队避障，避障完成后迅速恢复队形；避障飞行控制方法能够在保持编队队形不变的前提下实现碰撞规避，提高了编队飞行的安全性，能够实现无人机集群的协同高效控制。

技术领域

本发明涉及多无人机协同控制领域，特别涉及一种无人机编队飞行方法及控制系统。

背景技术

由于单架无人机的续航能力和负载能力较弱，因此单架无人机尤其是微小型无人机在进行复杂的飞行任务时会面临巨大挑战，这也是无人机编队飞行越来越受到重视的原因。但如果无人机进行编队飞行时不能规避障碍物从而发生碰撞，不仅会影响到任务的顺利完成，更会对周围环境的安全造成重大影响，因此对于无人机编队飞行而言，整个系统具有良好的避障控制能力是任务能够高效安全地完成的重要保障。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种无人机编队避障飞行方法及控制系统，该系统在保持无人机编队飞行队形完整的同时，能够根据虚拟作用函数并结合设计的嵌套饱和控制器进行避障控制。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种无人机编队飞行方法，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；

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。

优选的，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。

优选的，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。

优选的，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。