[发明专利]基于群体智能的微型无人机集群免碰撞控制方法和装置

说明书

本申请涉及一种基于群体智能的微型无人机集群免碰撞控制方法和装置。所述方法包括：构建微型无人机系统的动力学模型后，设定个体间的通讯函数，并判断是非奇异型函数，针对非奇异型通讯函数和奇异型通讯函数下的微型无人机集群系统，分别设定外力函数以及对应的能量泛函，在设定系统初始状态之后，根据初始状态和能量泛函进行集群规模以及个体间安全距离的刻画。本发明提出基于系统初始状态、信息交互模式以及吸引‑排斥力的免碰撞集群准则，同时刻画集群响应速率、集群规模以及个体间安全距离，可提高复杂环境下微型无人机集群系统自主免碰撞协同运动的能力。

技术领域

本申请涉及无人机自主控制技术领域，特别是涉及一种基于群体智能的微型无人机集群免碰撞控制方法和装置。

背景技术

无人化、智能化和集群化是现代飞行器技术发展的必然趋势。随着无人与自主技术的深化应用，开发微型无人机自主免碰撞集群系统已经成为无人机的一个重要发展方向。从目前所能达到的技术水平来看，真正实现复杂动态环境下无人机的自主避碰是一项具有挑战性的关键技术难题。

通过借鉴自然界中生物群体智慧，可为实现无人机集群自主控制提供一条新的技术途径。研究无人机集群系统免碰撞行为最重要的内容之一就是建立系统演化的理论模型，理论建模是理解自主群集发生机理、研究个体行为与集群特性之间关系的重要手段。据现有文献报道，将微型无人机系统抽象为质点系统，继而给出合理的个体间信息交互规则，以此建立合适的系统演化模型。关于无人机集群系统实现系统内部碰撞避免的技术大致有以下方法：

2011年IEEE Transactions On Automatic Control刊载的“A GeneralCollision-Avoiding Flocking Framework”，首次考虑了广义C-S系统的免碰撞问题，构建了具有非奇异通讯函数、非线性速度耦合以及吸引-排斥力的数学模型，在个体速度不存在明显差异以及个体位置不存在极度分散或接近的前提下,给出了此类系统免碰撞集群的一般框架。

2010年IEEE Transactions on Automatic Control刊载的“Cucker-SmaleFlocking With Inter-Particle Bonding Forces”，通过在个体之间引入额外的相互作用力，展示了C-S系统渐近聚集到空间平衡且紧致构型的涌现行为。特别地，在系统在特殊的初始条件下，排除了所有个体碰撞到一个点的可能性。该方法关键在于所提出的个体间结合力利用其他个体的位置和速度信息来实现分离和内聚。但明确提出无法证明系统中任意两个个体之间的免碰撞问题，此外没有对集群位置直径进行描述。

2017年Nonlinear Analysis Real World Applications刊载的“Sharpconditions to avoid collisions in singular Cucker-Smale interactions”，围绕没有外力干预的C-S系统的个体间自主碰撞避免问题，通过引入非奇异通讯函数，获得了以通讯函数奇异点为安全距离的避碰结果。

综上所述，上述文献中只涉及系统的免碰撞机理分析，这种方式并不能全面控制无人机群的自主免碰撞集群运动。因此，对无人机集群系统中自主避碰和群体运动位置直径控制的实现是无人机集群飞行控制技术难点之一。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够实现无人机群的自主免碰撞集群运动的基于群体智能的微型无人机集群免碰撞控制方法和装置。

一种基于群体智能的微型无人机集群免碰撞控制方法，所述方法包括：

获取微型无人机集群系统的系统信息，根据所述系统信息构建所述微型无人机系统的动力学模型；所述微型无人机集群系统中包括多个无人机个体；所述动力学模型中包括个体间的通讯函数和外力函数；所述外力函数用于描述依赖于个体位置的吸引-排斥力；

设定所述个体间的通讯函数，判断所述个体间的通讯函数是否是非奇异型函数：