[发明专利]双模式盘旋追踪地面目标的多无人机协同航迹规划方法

说明书

本发明公开了双模式盘旋追踪地面目标的多无人机协同航迹规划方法，构建无人机运动学模型、地面目标运动模型和三维城市环境模型；基于无人机与高层建筑避障需求提出盘旋模式与避障模式切换的条件；基于同步分布式模型预测控制的多目标优化算法构建双模式下多目标优化模型；基于松弛满意度序方法建立优先级模型获得广义的模糊满意度目标规划模型；基于同步分布式模型预测控制和模糊目标规划方法构建双模式下的多无人机协同航迹规划模型；本发明综合考虑追踪精度、能量节约等性能指标及其不同优先级要求，基于同步分布式模型预测控制和模糊目标规划方法，以保证多无人机协同飞行安全可控为前提，为多无人机协同追踪目标提供可靠的航迹规划方案。

技术领域

本发明属于航迹规划领域，尤其涉及双模式盘旋追踪地面目标的多无人机协同航迹规划方法。

背景技术

无人机体积小、灵活性高、稳定性好、适应性强，能够代替人类完成一些困难的工作，承担一些特殊使命，广泛的应用在农业植保、森林灭火、海上救援、物流运输等军事、民用方面。由于无人机无需载人飞行，可以规避潜在风险的特性，常用于执行一些复杂、高危的任务，如在条件恶劣、地图复杂的城市场景中实现对地面目标的实时监控和追踪。然而，城市环境中的建筑物遮挡会对追踪效果造成影响，因此为了达到更高的追踪精度，往往需要通过多无人机协作来完成追踪任务。

以复杂城市环境为例，其中建筑物高低混合分布，移动目标速度变化，以多无人机协同工作实现对其准确的监控和跟踪，具有重要的研究价值，多无人机的航机规划算法也备受关注。当追踪以较低速度运动的目标时，无人机需保持一定的巡航速度，使无人机围绕目标持续盘旋，以避免发生失速问题。当无人机传感器覆盖域内存在高层建筑障碍物时，则需要在考虑避障的同时，最大限度的完成追踪任务。因此双模式的航迹规划方案对于追踪变速的目标和适应复杂的飞行环境是必要且完备的，根据不同模式的追踪特性，设置不同的性能指标函数和约束条件来适应需求，如精度需求、节能需求等。对于不同模式下性能指标模型的建立和优先级的表示，同样对是否能得到最优航迹有着决定性的作用。另外，考虑到无人机飞行安全性，当存在通信延迟情况时，如何避免无人机之间的碰撞也是重点之一。因此在考虑无人机追踪精度、能量节约、避碰避障等多重性能需求下，为实现地面目标的双模式多无人机盘旋追踪任务，对协同航迹规划算法进行研究具有重要的理论意义和现实意义。

对于空中环境开阔，不确定因素少，可以利用无人机来执行一些在地面难以完成的任务。航迹规划作为无人机相关的关键技术之一，现有的专项研究内容丰富，算法多样。然而单机无法适用于某些复杂、拥挤、有遮挡的地形条件，因此需要采用多无人机协同才能完成工作。多无人机协同规划的目的不是要求其中某一架无人机得到最优路径，而是要求无人机群的整体性能达到最优。然而，现有针对目标低速下追踪的无人机协同航迹规划算法较少，且对于城市环境的避障等问题也鲜有考虑，因此本发明具有重要的研究意义。

发明内容

本发明涉及多无人机的协同航迹规划，以多无人机在城市环境中追踪移动的地面目标为背景，在保证高精度追踪的基础上，考虑无人机的节能问题和安全飞行问题，设计了一种双模式盘旋追踪地面目标的多无人机协同航迹规划算法，该发明采用盘旋模式为主、避障模式为辅的双模式切换追踪策略，适用于多无人机协同追踪地面低速运动目标。

本发明采用如下技术方案予以实施：

双模式盘旋追踪地面目标的多无人机协同航迹规划方法，包括如下步骤：

以多无人机追踪城市中低速移动的地面目标跟踪为背景构建无人机运动学模型、地面目标运动模型和三维城市环境模型；

基于无人机与高层建筑避障需求提出盘旋模式与避障模式切换的条件；

基于同步分布式模型预测控制的多目标优化算法构建双模式下多目标优化模型；

基于松弛满意度序方法建立优先级模型获得广义的模糊满意度目标规划模型；

基于同步分布式模型预测控制和模糊目标规划方法构建双模式下的多无人机协同航迹规划模型。