申请/专利权人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院

申请日：2023-12-27

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN117873165A

主分类号：G05D1/695

分类号：G05D1/695;G05D109/20

优先权：

专利状态码：在审-实质审查的生效

法律状态：2024.04.30#实质审查的生效;2024.04.12#公开

摘要：本发明提供一种基于航迹相对位置的密集编队设计与控制方法，属于无人机集群编队控制技术领域。首先结合任务需求，完成任务航线的设定和优化；然后设定密集编队无人机之间的相对几何关系；针对长僚机编队架构，结合密集编队控制要求，设定长机广播信息；之后根据长僚机相对航迹关系，结合长机状态确定僚机期望航迹位置；根据僚机期望位置和对应航迹点类型，结合僚机当前状态，确定僚机控制策略；结合航迹类型，确定长机控制策略；最后长僚机根据设定控制策略，实现长机以预设速度沿航迹飞行，僚机以期望的相对航迹位置随长机机动。本发明赋予编队自适应调整无人机间距和动态补偿机动加速度的能力，降低了密集编队机动控制的难度和机间碰撞风险。

主权项：1.一种基于航迹相对位置的密集编队设计与控制方法，其特征在于，包含如下步骤：步骤1：结合实际任务，确定集群编队的任务航点根据任务要求，考虑地理特点和潜在防空区分布，确定由经度、纬度和海拔高度定义的航点序列点，将其转化为北东地坐标系下的三维坐标，并用直线连接航点形成由折线连接成的航线；然后考虑固定翼无人机飞行半径限制，对折线航线进行重规划，形成由直线和圆弧拼接形成的航线；定义一个n行6列的二维数组，n表示航路点个数，各列依次表示每一个航迹点在北东地坐标系下的x轴、y轴、z轴坐标、航点类型type、圆弧航点半径r、圆弧对应圆心角θ，其中航点类型取值为1表示直线航线，取值为2表示圆弧航线；表示为： 由该航线定义的方法知，圆弧型航点的起始航点类型为直线型；该起始点作为圆弧型航线与相邻圆弧型航线或者直线型的航线的分界点，实际飞行过程中，将不会作为飞行器的期望航点；步骤2：结合任务需求，确定长僚机航迹期望相对位置密集编队集群无人机均执行相同任务航线，因此，针对长僚机架构的集群无人机编队，各僚机根据其相对于长机的航迹位置定义自身的期望位置；对于i号僚机其相对于1号长机的期望航迹相对位置表示为其中为i号僚机在航迹上投影点相对于长机在航迹上投影点的期望距离；为i号僚机相对于任务航迹的期望侧向偏离位置，定义沿航迹前进方向，期望位置在航迹左侧为正；为i号僚机相对于任务航迹的高度方向偏离位置，定义向上为正；步骤3：确定任务执行过程中，长机向僚机广播信息任务执行过程中，僚机需要利用长机的飞行状态，结合集群编队任务航迹信息和期望的长僚机航迹相对位置，解算当前时刻的期望位置；对于基于通信交互信息的长僚机集群编队，僚机利用长机广播信息进行编队；针对基于航迹位置的密集编队协同控制，为便于僚机解算当前时刻的期望位置，长机需要广播自身的状态信息，包括：自身位置p1＝[x1,y1,z1]T、当前时刻期望航迹点编号kt；步骤4：根据长机广播信息，僚机解算当前时刻期望位置记当前僚机编号为i，其相对于长机的期望航迹相对位置为为解算当前时刻i号僚机的期望位置，需要结合规划的航线信息；工况1若长机当前航迹点编号kt对应的航点类型为圆弧型，则根据其对应圆弧型航线的圆心、圆弧半径和当前时刻位置，解算出其在圆弧型航线上的投影点相对于当前圆弧型航点起始位置的航迹距离lθ；已知长机当前位置p1＝[x1,y1,z1]T，记当前圆弧型航线圆心位置为okt，圆弧型航线起始位置为则有lθ： 其中函数sign表示对应的变量做取符号操作，mod·表示取余操作；若即i号僚机当前时刻期望位置在任务航迹上的投影点也在长机所在的圆弧型航线上： 相应求得i号僚机相对于长机的期望航迹位置 工况2若长机当前航迹点编号kt对应的航点类型为圆弧型，且即i号僚机当前时刻期望位置不在当前长机所在圆弧型航线上；由规划后的航路点定义方法知若编号为kt的航点为圆弧型，则kt-1号航点为该圆弧型航线的起点，即而kt-2航点能是直线型航点，也能是圆弧型航点；记kt-2航点位置为pkt2若pkt2为直线型，lkt2-k为pkt2到航线的距离；若： 则i号僚机当前时刻期望位置在航线的投影点位于pkt2和的连线上： 相应求得i号僚机相对于长机的期望航迹位置 工况3若长机当前航迹点编号kt对应的航点类型为圆弧型，并且和pkt2为圆弧型航点，即pkt2为该圆弧型航点的圆心，相应为该圆弧型航线的终点，记θkt2和pkt3分别为该圆弧型航线的圆心角和起始点位置；若： 则i号僚机当前时刻期望位置在航线的投影点位于pkt2对应圆弧型连线上： 相应求得i号僚机相对于长机的期望航迹位置 工况4若长机当前航迹点编号kt对应的航点类型为圆弧型，pkt2到的之间的航线长度仍小于则察看kt-3号航点pkt3到的航线长度是否满足大于的条件；若满足，则i号僚机期望位置在航线上的投影点位于pkt3到pkt2的航线连线上，相应根据pkt3的航点类型按照工况2或者工况3的办法确定i号僚机期望位置；若不满足，则继续察看kt-4、kt-5…航点是否满足，直至满足条件，并按工况2或者工况3所述方法确定i号僚机期望位置；工况5若长机当前航迹点编号kt对应的航点pkt的类型为直线型，则根据本发明提出的航线定义方法知，kt-1号航点pkt-1的类型也是直线型；记长机当前时刻位置p1与航点pkt-1的连线为l1-kt1，航点pkt-1和pkt-1的连线为lkt-kt1，若l1-kt1在lkt-kt1的投影长度大于则i号僚机当前时刻期望位置在航线的投影点位于lkt-kt1上： 相应求得i号僚机相对于长机的期望航迹位置 工况6若长机当前航迹点编号kt对应的航点pkt的类型为直线型，且l1-kt1在lkt-kt1的投影长度小于则根据任务航线向前回溯，并按照工况2或者工况3所述方法确定i号僚机当前时刻期的望位置；步骤5：根据期望位置对应的航点类型，确定僚机控制策略为确保僚机对长机的跟踪控制效果，i号僚机根据自身期望位置的类型分别针对性的设计控制方法；工况1若期望位置对应航点类型为直线，航点编号为kti，位置为pkti，上一航点编号为kti-1，位置为pkti-1，航线期望速度大小为则i号僚机期望位置的速度写成： 记i号僚机当前位置和速度分别为pi和vi，当前位置和速度相对于期望位置和速度的偏差为Δpi和Δvi，将此偏差转换到僚机航迹坐标系下，记为和 僚机控制分别用高度指令、速度指令和侧向加速度指令实现高度、速度大小和飞行方向的控制；其中高度通道控制指令为： 速度通道控制指令为： 式中和为对应变量的控制增益系数，对中小型固定翼无人机取值为0.2、0.8和0.01，vI为积分增益控制量的权重，避免在偏差较大时积分起作用： 为速度通道偏差的积分量，为避免积分抗饱和作用，其采用如下形式累积偏差： 式中vmax和vmin分别表示最大和最小速度；侧向通道控制指令为： 式中和为对应变量的控制增益系数，对中小型固定翼无人机取值和0.01，vI为积分增益控制量的权重，主要避免在偏差较大时积分起作用： 为速度通道偏差的积分量，为避免积分抗饱和作用，其采用如下形式累积偏差： 式中amax表示侧向最大机动加速度；工况2若期望位置对应航点类型为圆弧型，航点编号为kti，圆弧型航线对应圆心位置为okti，对应圆心角为θkti，航线期望速度大小为则i号僚机期望速度写成： 采用工况1相同方法计算其高度和速度方向控制指令；鉴于圆弧型航线存在向心加速度acen： 因此，其侧向通道在工况1侧向通道控制的基础上叠加向心加速度，即侧向通道控制指令为： 步骤6：根据期望的航点类型，确定长机控制策略长机控制策略针对直线型和圆弧型分别设计；工况1若长机当前期望航点类型为直线型，航点编号为kt，位置为pkt，上一航点编号为kt-1，位置为pkt-1，航线期望速度大小为v*，则结合长机当前位置p1，解算出当前时刻的期望位置与速度 在此基础上，借鉴僚机中工况1所述方法解算三通道控制指令；工况2若长机当前期望航点类型为圆弧型，航点编号为kt，位置为oki，对应圆心角为θkt，航线期望速度大小为则解算出当前时刻的期望位置与速度 其对应向心加速度为： 在此基础上，借鉴僚机中工况2所述方法解算三通道控制指令；第七步：任务执行长机按第五步控制策略生成控制指令沿航线飞行，并按第三步要求向僚机广播自身状态信息；僚机按第三步控制策略生成控制指令，收敛到相对于长机的期望位置，并保持在期望相对位置上。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种基于航迹相对位置的密集编队设计与控制方法

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD