[发明专利]一种基于航路点的无人机编队生成-切换航迹规划方法

说明书

本发明涉及一种基于航路点的无人机编队生成‑切换航迹规划方法，属于无人机集群编队飞行技术领域。针对不同速度方向的无人机队形切换和无人机编队转弯分别提出航迹规划方案，并通过航迹调整证明了按照本发明规划方案得出的航迹点，无人机仅仅需要按照规划结果在自身飞控系统的导引下保持匀速飞行到达期望航迹点即可达到时间协同收敛，不需要与飞控系统进行耦合获得实时位置姿态等飞行参数，按照本发明提出的方法进行协同航迹的设计，计算量小，计算耗时少，简单实用，利于在工程上实现。

技术领域

本发明属于无人机集群编队飞行技术领域，该发明可广泛应用于无人机多种队形的生成-切换领域方面。

背景技术

随着科学技术和战争体系的不断发展，对于一些需要大规模搜索或打击的复杂任务，单架无人机的任务能力和最大行程将受到限制，降低完成效率，增加了任务失败的概率。相比之下，多无人机的协同编队可以解决时间、空间和任务层面的冲突。当任务比较复杂，整个任务可以划分为一些简单的小任务。每架无人机携带不同的任务载荷以完成自己的任务，从而大大提高了任务的效率。

无人机编队是指多架无人机为适应任务需求而进行的某种队形排列和任务分配，从而形成一定的秩序飞行，已经成为了军事领域、科研工作者日常工作的重点内容，无人机编队飞行中，要求做好队形设计、控制无人机间的安全距离，做好动态化科学调整，维持航迹的准确性、安全性，以便高效完成指定工作。这个概念既包括了无人机执行任务过程中编队飞行时的队形生成、保持和切换，也涵盖了飞行任务的规划、组织与执行。无人机编队是无人机技术发展的一个重要趋势，编队作业的无人机则可以弥补单架无人机难以面对复杂战场环境和任务的缺陷，多架无人机可以分散搭载设备，将复杂的任务拆分为若干个相对简单的任务，分配给编队中的不同无人机分别执行，使该项任务能够一次完成，从而显著地提高任务效率。

对于同类型或者异构的多架无人机，如何形成、保持和切换编队是无人机领域一项关键技术和研究热点，对此国外的专家和学者已经开展了大量的研究工作，并且有许多显著的研究成果，主要有传统的跟随领航者方法、虚拟领航者结构、行为控制方法，以及近几年受到青睐的基于一致性理论的分布式编队控制方法。

领航-跟随者方法中，控制系统设计简单，每个跟随着只需要跟随领航者的位置即可，很大程度地减少了每个无人机的计算量；但是没有基于网络进行信息交流，领航者没有跟随者的位置误差反馈，链式领航跟随者策略存在位置误差的传递迭代，导致误差累积难以消除，从而不能形成理想的队形结构。并且当领航者发生故障或者网络断开时，会导致整个编队失效，无法对战场环境做出快速响应以调整队形结构。

在基于行为的方法中，编队间通信量较少，无人机对环境变化响应速度快，当同时有多个相互冲突的行为目标时，可以很容易地得到控制输出，同时通过数据链路有队形的反馈。但是对编队的整体行为难以进行明确的定义，无法对基本行为进行准确的数学描述，队形的稳定性不能保证。

基于分布式的协同编队控制中，无人机个体只需要与其临近的无人机之间进行无人机位置信息交换，便可以形成期望的编队结构，并且实现整个无人机系统的速度、航迹方位角、航迹距离等状态量的统一；这种通过局部信息交换的分布式控制策略，以其短距离通讯的优势确保整个编队系统稳定的前提下，降低了计算的复杂度，大大减少了信息传递所带来的能量消耗；在这种无集中协调的方式下，可以实现大规模、分布式的编队控制与协调，具有较好的灵活性和适应性，能够有效的实现整个编队的避撞，同时，也不会因为少量成员的退出或者损伤而降低多无人机系统的鲁棒性。

以上所述的编队控制方法都需要无人机的控制系统在控制周期内不断修正飞行参数使其进行编队保持、切换与重构，都难以满足编队控制分布式、自主化和集群化的需求。在工程上实现有较大困难，因此如何设计一种简单有效的编队控制方法具有相当重要的理论和现实意义。

发明内容

要解决的技术问题