[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

说明书

本发明涉及四旋翼无人机飞行器集群路径生成技术，为使集群无人机在执行各自任务时，能够相互避免碰撞，为集群四旋翼无人机进行任务分配，支持多种任务模式，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，实现多任务的逻辑调度，本发明，基于任务逻辑调度的集群四旋翼无人机路径生成方法，步骤如下：第一部分、集群无人机避碰路径生成方法；第二部分、集群无人机并行任务分配方法：进行任务分配；第三部分、集群无人机任务逻辑调度方法。本发明主要应用于无人机编队控制场合。

技术领域

本发明属于四旋翼无人机飞行器集群路径生成技术领域，具体涉及集群无人机任务分配、任务调度以及避碰路径生成方法。

背景技术

近年来，四旋翼无人机由于其易操控、可靠性强、体积小等优势，得到越来越广泛的应用。在民用领域，街景拍摄、电力巡检、交通监视、快递递送、灾后救援等方面均可由四旋翼无人机完成；在军用方面，情报侦察、军事打击、信息对抗、空中预警、通信中继等任务中四旋翼无人机发挥了重要的作用。然而，计算能力和有效载荷成为小型四旋翼无人机任务规划时的限制因素，因此通常考虑多无人机协作，目的是协调多个四旋翼无人机在有限的时间或资源预算内完成任务。

无论是民用领域还是军用领域，多数情况下四旋翼无人机都是自主飞行而无需人类的手动操控。在无人机自主飞行过程中，无人机需要靠自身携带的传感器获取当前的位置信息以及周围的环境信息，然后无人机根据获取的这些信息来进行路径生成。然而，在路径生成过程中集群四旋翼无人机容易发生相互碰撞。因此，集群无人机的避碰路径生成是其自主飞行的关键。在执行任务的过程中，还需要对集群四旋翼无人机进行任务分配，以确保更加高效、快速地完成任务。此外，集群四旋翼无人机可能需要执行多项任务，根据执行任务的优先级对集群无人机进行任务逻辑调度，以确保集群无人机能够按照调度顺序逐一执行各项任务。

针对集群四旋翼无人机的路径生成问题，国内外学者都进行了大量的研究。2015年，美国麻省理工学院Chen等人提出了一种基于序列凸规划的多机器人路径规划算法，该算法能够找到局部最优的轨迹。2018年，美国南加利福尼亚大学Ayanian等人提出了一种基于路图的多无人机路径生成的方法。2018年，美国宾夕法尼亚大学的Liu等人提出了一种基于搜索的多无人机运动规划框架，旨在解决集群飞行器在动态环境下的规划问题。2019年，香港科技大学的Wu等人提出了一种仅在时域内实现近似最优且无碰撞的多微型飞行器路径生成方法。

综上所述，国内外学者对集群无人机路径生成问题进行了卓有成效的研究，并取得了丰硕的研究成果。然而，大部分集群无人机路径生成方法只针对单任务或者是简单的编队飞行，没有多任务之间的逻辑调度，且没有任务分配。因此，研究基于任务逻辑调度的集群四旋翼无人机避碰路径生成方法对于提高集群无人机执行任务的效率至关重要。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出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。首先，该方法可以为集群四旋翼无人机生成避碰路径，使集群无人机在执行各自任务时，能够相互避免碰撞，保证编队的安全性。其次，该方法可以为集群四旋翼无人机进行任务分配，保证任务执行的效率。同时，该方法能够交换临近无人机彼此目标点以减少多机相互避碰过程中消耗的大量时间。此外，该方法支持多种任务模式，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，而且可以根据任务需求任意切换模式，实现多任务的逻辑调度。本发明提出的方法，旨在提高集群四旋翼无人机的任务执行效率和群智能力。为此，本发明采用的技术方案是，基于任务逻辑调度的集群四旋翼无人机路径生成方法，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；