申请/专利权人：航空工业信息中心

申请日：2020-06-18

公开（公告）日：2024-03-22

公开（公告）号：CN111831008B

主分类号：G05D1/46

分类号：G05D1/46;G05D1/49;G05D1/695;G05B11/42;G05B13/04;G05B19/418

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.22#授权;2020.11.13#实质审查的生效;2020.10.27#公开

摘要：本发明公开了一种基于分布式架构的无人机编队协同控制系统及其方法，属于无人机控制系统的技术领域。包括：包括：空中端、通信层和地面端；所述空中端包括：多个无人机，设置在各个无人机节点上的单无人机体系，所述通信层为各无人机节点实现信息共享，信息的共享形式，采用设计PMP通信模式与Mesh网络通信模式的切换算法；所述地面端即为地面控制系统。本发明利用无线传输模块设计了一套以Mesh网络为主的分布式通信方案；优化了长机编队飞行的控制律，为解决僚机在编队飞行阶段实时跟踪动态点的问题，提出了新的编队跟踪算法，取名为最优转弯半径OTR算法，多次仿真和试飞实验表明其相对于传统的PID算法具有更好的性能。

主权项：1.一种基于分布式架构的无人机编队协同控制系统，所述控制系统为多无人机体系结构，其特征在于，包括：空中端、通信层和地面端；所述空中端包括：多个无人机，设置在各个无人机节点上的单无人机体系，所述单无人机体系包括感知层和控制层，用于获取所述无人机的姿态、速度和位置；所述通信层为各无人机节点实现信息共享，信息的共享形式，采用设计PMP通信模式与Mesh网络通信模式的切换算法；所述地面端即为地面控制系统，包括上传群体的整体任务和监视群体以及群体中的每个个体的遥测数据，地面操作人员根据各无人机的飞行状态情况，为各无人机发送指令，地面端的无线数传模块在编队协同飞行阶段不上传控制指令，仅为监视作用；所述空中端内的感知层用于将多个传感器数据融合获得更高频更精确的导航数据，控制层接收地面端解算的轨迹作为期望，结合感知层得到的导航数据，经过控制算法处理可以得到四通道的舵量输出，最后发送给执行机构；使用所述的一种基于分布式架构的无人机编队协同控制系统的控制方法，具体包括以下步骤：步骤一、无线传输模块的编队通信网络设计；步骤二、分布式编队态势感知模型的研究；步骤三、无人机编队控制律优化与设计；所述步骤一具体如下：选定编队中有n架无人机，将单个无人机看成节点，定义第i架无人机携带数传的编号为Ai和Bi；首先A0,A1,…Ai采用PMP通信模式，地面端A0作为主节点，机载端A1,…Ai为从节点,所有的数据都要经过主节点A0；B1,B2,…Bi采用Mesh网络通信，其中B1的角色为主协调员，B2,…Bi为备用协调员；定义第i个从节点与主节点m的通信质量为满足以下公式： 式中tc表示当前时刻，Ts代表时间间隔，n代表从节点i与主节点m之间共有n个数据包，qj代表第j个数据包的字节数，Ij代表在时间间隔[tc,tc+Ts]段，该数据包字节是否需要发送，如果需要Ij＝1，否则Ij＝0；fj为该数据包字节的发送频率，rj代表在时间间隔[tc,tc+Ts]段，从节点是否接受到，若接收到rj＝1，否则rj＝0；显然有A＝[aij]n×n代表邻接矩阵，aij代表节点i到j的权值系数；容易推出aii＝0，并且aij＝aji≥0；定义eij＝vi,vj∈V×V,i≠j，若存在则为无向图；vi是i时刻的速度；α1，α2，α2，α3…αi，αj，i,j∈[i，n]代表路，路是由边构成的序列；α是加速度定义第i个节点与邻居节点集合Ni＝{aj∈V,ai,aj∈E}的通信质量为所述满足以下公式： nk＝aij→ai,aj∈Ni其中p代表在编队协同飞行节点，无人机节点协同控制需要接到的数据包，fp代表这包数据的发送频率，I代表该包数据是否被接收到，若接收到I＝1，否则I＝0；k代表该节点的邻居节点Ni的个数，显然所述步骤二具体如下：定义任务场景为：在z个区域内具有多个目标需要进行搜索，并将得到的搜索信息发送回地面端的指挥中心，然后根据指挥中心的指令决定执行相应的行为，目标位置在各区域内的数量位置，设定执行任务的编队为母编队，此时母编队要对任务进行分配，定义n架无人机V1,V2,…Vn对z个区域A1,A2，…Az的分配矩阵Xn×z为： 任务分配收益函数为：式中，ρj代表该区域能搜索到目标的概率，Pj代表该区域的搜索优先级；任务分配代价函数为：式中δj代表无人机损耗概率，主要和无人机到目标区域的航程代价、威胁代价有关，υj为无人机执行任务的效率，和燃油、携带设备有关；则分配矩阵方程和对应最优解为：EX＝BX-CX 按照上述分配，母偏队分为多路子偏队，各子编队根据搜索区域的面积和编队感知范围，自动规划出了搜索航线；所述步骤三中的无人机编队控制律优化与设计具体包括：长机编队飞行控制律设计和僚机编队飞行控制律设计；所述长机编队飞行控制律设计包括：轨迹环控制律设计和姿态环控制律设计；其中，所述轨迹环控制律设计包括：长机横侧向控通道制律设计和长机纵侧向通道控制律设计；所述姿态环控制律设计包括：转、俯仰和偏航三个控制器，采用PID控制算法。

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