[发明专利]多旋翼无人机变尺度协同监视编队飞行控制方法

摘要

本发明公开了一种多旋翼无人机变尺度协同监视编队飞行控制方法，利用多个无人机探测视场的协同来扩大监视的覆盖范围，在高分辨率观测的同时实现大视场。通过多无人机编队视场始终自动衔接来可靠覆盖机动目标，以可变分辨率和可缩放的观测尺度实现对快速机动目标的广域探测、可靠详查和监视跟踪，提高了多机协同跟踪监视的操控效率。

主权项

1.一种多旋翼无人机变尺度协同监视编队飞行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)定义地面固定坐标系oxyz：以地面参考点为原点o，正东方向为x轴，正北方向为y轴，竖直向上为z轴；无人机机体坐标系obxbybzb：以无人机质心为原点ob，xb轴指向机头方向，zb轴在机体纵平面内垂直于xb轴指向上，yb轴与xb轴和zb轴构成右手系；2)设委托无人机编队无人机总数为n个，第1个无人机定义为长机，则第i个无人机在长机体坐标系xoy平面的无因次化坐标位置为(Gxi,Gyi)，其中Gxi和Gyi为整数，其绝对值表示编队构形中第i个无人机与长机在x和y方向分别有|Gxi|和|Gyi|个单位距离，各无人机的无因次坐标位置的集合{(Gx1,Gy1),(Gx2,Gy2),…,(Gxn,Gyn)}即表示变尺度协同监视无人机编队的构形，其中Gx1＝0，Gy1＝0；i＝1,2,…,n；3)长机以广播通信方式向各僚机发送自身飞行状态信息，发送的信息为常规飞行状态信息，包括：x₀，长机在地面固定坐标系中的x坐标值；y₀，长机在地面固定坐标系中的y坐标值；h₀，长机在地面固定坐标系中的z坐标值，即飞行高度；v_x0，长机在地面固定坐标系中的x方向速度值；v_y0，长机在地面固定坐标系中的y方向速度值；v_z0，长机在地面固定坐标系中的z方向速度值；ψ₀，长机的偏航角，即长机机体坐标系x轴与地面固定坐标系中x轴方向的夹角；长机的偏航角速率，即长机机体偏航角的变化率；4)各僚机依据收到的长机飞行高度计算编队构形尺度因子，即相邻无人机在长机体坐标x方向上的距离Dx和y方向上的距离Dy；设θx、θy分别为相机沿体坐标轴x，y方向的视场角，根据飞行高度h0，按以下二式分别计算无人机地面视场的范围，Fx＝2h0tan(θx/2)，Fy＝2h0tan(θy/2)，其中Fx和Fy分别为无人机地面视场矩形的两个边长，取Dx＝(1‑εx)Fx，Dy＝(1‑εy)Fy，其中εx和εy分别为相邻两无人机视场在x和y方向衔接的重复率；5)各僚机分别计算变尺度协同监视的期望飞行状态，对于各僚机，即编号为2,3,…,n的无人机，依据各无人机飞行高度相同的要求，其中为第i架无人机的期望飞行高度，为第i架无人机的期望爬升速率，依据视场衔接要求，其中为第i架无人机的期望偏航角，为第i架无人机的期望偏航角速率，根据如下公式分别计算第i架无人机在地面坐标系中的期望位置：设定各无人机在地面坐标系中的期望速度，其中为第i架无人机的期望飞行速度在地面坐标系x轴方向的分量，为第i架无人机的期望飞行速度在地面坐标系y轴方向的分量；6)依据各无人机自身当前的飞行状态，以及期望飞行状态，计算位置控制的误差量，高度误差量为爬升速率误差量为偏航角误差量为偏航角速率误差量为其中h_i、v_hi、ψ_i、分别为第i架无人机的当前高度、爬升速度、偏航角和偏航角速率；依据无人机飞行控制的要求，水平位置和水平速度误差量需在无人机体坐标系中表示，对于第i架无人机，体坐标系中表示的无人机水平位置误差量为其中，x_i和y_i分别为无人机的当前位置在地面坐标系中的x和y坐标值；体坐标系中表示的无人机水平速度误差量为其中v_xi和v_yi分别为无人机的当前速度在地面坐标系中x和y方向的值；7)长机采用操作人员遥控或者按设定航路飞行，各僚机依据计算得到的误差量进行常规的位置和姿态反馈控制；8)长机根据遥控指令或预先规划路径指令实施控制作用，僚机中，第i个无人机使用其执行器实施步骤7)计算所得的控制加速度T_i^c、和并在一个控制周期时间内保持该控制加速度，该控制周期结束时，若变尺度协同监视编队飞行控制任务尚未完成，重复步骤3)～8)；若变尺度协同监视编队飞行控制业已完成，则结束。