[发明专利]基于任务逻辑调度的集群四旋翼无人机路径生成方法

权利要求书

1.一种基于任务逻辑调度的集群四旋翼无人机路径生成方法，其特征是，步骤如下：

第一部分、集群无人机避碰路径生成方法：集群无人机生成各自路径时，需要考虑邻机的位置和速度从而生成安全的避碰期望速度，从而避免集群无人机之间的相互碰撞；

第二部分、集群无人机并行任务分配方法：考虑集群四旋翼无人机在任务执行过程中，需要进行任务分配，使得集群无人机分解为多个无人机群体，每一个小群体去执行一个任务；

第三部分、集群无人机任务逻辑调度方法：考虑集群四旋翼无人机在执行不同任务过程中需要在多种群智模式之间切换，包括安全起降、集群组网、编队保持、队形变换、目标趋近、巡飞探测六种群智模式，需要设计时序逻辑，保证集群无人机在多任务执行过程中群智模式的顺利切换；详细步骤如下：

第一部分，集群无人机避碰路径生成方法：

以二维平面为例介绍基于相互速度障碍的集群无人机避碰方法，所有定义和算法可以推广至三维空间，对于两架四旋翼无人机A和B，无人机B对于无人机A的速度障碍是由A的所有速度v_A组成的集合，且无人机A以速度v_A飞行会与以速度v_B飞行的四旋翼无人机B在某一时刻发生碰撞，假设无人机A和B的形状分别是以r_A和r_B为半径的圆盘状，无人机B对于无人机A的速度障碍几何上是一个顶点在v_B处的圆锥体，定义为无人机A与B的闵可夫斯基和，则有：

假设λ(p,v)表示从p开始朝向v方向的一条射线，其中p表示无人机位置，v表示无人机速度，λ(p,v)的定义如下：

λ(p,v)＝{p+tv|t≥0} (2)

其中，t表示时间变量，

无人机B对于无人机A的速度障碍的定义如下：

公式(3)定义指出：如果满足条件那么无人机A和B将会在某一时刻发生碰撞；如果无人机A和B将不会发生碰撞；如果无人机A的速度v_A在速度障碍物的边界上，它会在某个时刻与无人机B相切而过；

相互速度障碍的定义如下：

几何上，公式(4)表示顶点位于的一个圆锥体，其中，v′_A是无人机A的速度，它表示一个速度集合，若无人机A的速度在该集合内，则无人机A会和无人机B发生碰撞，因此，通过选择不在该集合范围内的无人机A的速度可以避免无人机A与B发生碰撞，且可以避免无人机之间的振荡运动；

第二部分，集群无人机并行任务分配方法：

集群无人机并行任务分配方法基于代价矩阵进行任务分配方案求解，代价矩阵表征不同无人机执行不同任务的代价损失，考虑无人机到目标点距离为指标，为集群无人机分配最为合理的任务目标，具体步骤如下：

第一步：假设执行任务的四旋翼无人机个数与目标点个数相等，均为n，假设第i架四旋翼无人机到达第j个目标点的飞行距离为d_ij，为每架四旋翼无人机分配目标，使得所有无人机的总航程D最小,即min D，任务分配的代价矩阵设计如下：

第二步：行规约与列规约，对代价矩阵D进行行列变换，各行/各列减去各行/各列的最小值，使得D中各行各列都出现零元素，得到中间变换矩阵D₁；

第三步：进行试指派，对于矩阵D₁，从零元素最少的行或列开始，对零元素标记若含有多个零元素，则随机标记其中一个，划去元素所在的行和列，得到子矩阵，重复上述步骤处理子矩阵，直到零元素都被处理完毕为止，此时的矩阵记为D₂，统计D₂中元素的个数，若个数恰好等于n，而且n个不同行且不同列，则试指派成功，直接转至第六步变换得出最优分配方案，算法停止；否则，继续第四步；

第四步：对D₂画线进行最小覆盖，具体操作为：

(1)对无元素的行标记√；

(2)对标记√的行中所有零元素所在的列标记√；

(3)对标记√的列中所有元素所在的行标记√；

(4)重复上述(2)(3)，直到所有行列都无法标记√为止；

(5)对无√标记的行画横线，对有标记√的列画纵线，则得到最小覆盖；

第五步：更新矩阵，找出所有未被线覆盖元素中的最小值，先将所有未被线覆盖的元素减去该值，之后将有√标记的列中的元素加上该值，得到更新后的矩阵D₃，重新转至第三步处理D₃，重复执行第三步-第五步直至得出最优解；

第六步：变换得出最优分配方案，对第五步中得到的最优解矩阵，将所有元素变为1，其他非零元素变为0，即可得到最终的分配方案；

第七步：任务重分配，当两架无人机之间的距离小于或等于某一阈值且两架无人机的路径相互交叉时，或者当其中一架无人机处于运动状态而另一架已经位于目标位置时，触发重分配，对两架无人机交换目标点，缩短总路径长度以及避免相互避碰过程带来的时间损耗；

第三部分，集群无人机任务逻辑调度方法：具体步骤如下：

第一步：起飞过程，四旋翼无人机从灾区外起飞至80m高度，且起飞时无人机没有固定的队形，无人机之间的位置随机给定；

第二步：集群组网，起飞过程完成后，四旋翼无人机高度下降至50m，然后进行集群组网，集群组网的过程是集群四旋翼无人机编队的过程，无人机集结成一个编队，且任意两架无人机之间的距离为5m；

第三步：目标趋近与编队保持，集群组网完成后，四旋翼无人机保持当前编队向救援现场飞行，该过程集群无人机的高度由50m下降到30m；

第四步：任务分配与队形变换，到达救援现场后，根据待救援区域数量以及任务量大小为无人机分配5个目标区域；

第五步：目标趋近与巡飞探测，根据第四步的分配结果，各个无人机趋近各自对应的目标区域，一旦执行子任务的所有无人机到达指定区域，就会触发巡飞探测过程，该过程采用蛇形航迹巡飞，以保证覆盖整个巡飞区域；

第六步：队形变换、目标点趋近与安全降落，对于有多个无人机执行巡飞探测的目标区域，探测结束后无人机需要重新编队为一个三角形，执行任务。