申请/专利权人：北京航空航天大学

申请日：2021-09-03

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN113741522B

主分类号：G05D1/695

分类号：G05D1/695;G05D109/20

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2021.12.21#实质审查的生效;2021.12.03#公开

摘要：本发明公开了一种基于无人机协同对峙监视的有害物扩散源搜索方法，属于导航制导与控制领域；首先，从参与搜索任务的无人机中定义领导者和为跟随者，并获取搜索任务空域信息；领导者带领跟随者一同飞行，利用最小二乘法进行无人机协同梯度的估计；领导者利用梯度估计信息，执行对峙监视搜索和禁飞区规避；各跟随者根据领导者的运动信息和梯度估计信息，执行队形保持；对每个无人机的期望速度进行运动学约束，得到实际的规划速度，并计算各自下一步期望的航路点；重复进行下个时刻的飞行，直至领导者到达有害物扩散源的球形领域内，识别出有害物扩散源的位置；本发明提高了无人机在执行源搜索任务时的航路平滑性和飞行安全性。

主权项：1.一种基于无人机协同对峙监视的有害物扩散源搜索方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤一、针对有害物扩散源，将参与搜索任务的Nu架无人机划分为1架领导者和Nu-1架跟随者，并顺序编号；步骤二、在Nu架无人机执行源搜索任务的过程中，获取当前采样时刻对应的搜索任务空域的综合信息；所述的综合信息具体包括：各架无人机的初始位置、地速向量和每架无人机测得的有害物浓度值，以及各个禁飞区的位置、形状和尺寸；步骤三、当前采样时刻下领导者带领跟随者一同飞行，判断领导者是否到达半径为Rs的有害物扩散源球形领域内，如果是，此时领导者的感知能力足以识别出有害物扩散源的位置，源搜索任务完成，算法结束；否则，进入步骤四；步骤四、利用最小二乘法进行Nu架无人机协同梯度的估计；最优梯度估计为： 式中，为时刻t对应的编队中心pct处的估计梯度，I为d×d维单位矩阵，0是元素都为0的d维列向量，θt为代表估计参数的d+1维列向量；步骤五、逐个选择各无人机i，判断i≤Nu是否成立；如果是，则执行步骤六；否则，返回步骤二，进行下一采样时刻的无人机协同源搜索；初始值i＝1，无人机为领导者；步骤六、判断第i架无人机是否为领导者；如果是，则执行步骤七；否则，进入步骤九；步骤七、利用梯度估计信息，执行对峙监视搜索，控制领导者的速度，使领导者收敛至对应于危险阈值的有害物场的边界，并沿该边界向趋近于有害物扩散源的方向运动直至到达有害物扩散源的领域内；步骤八、在对峙监视搜索的基础上，领导者执行禁飞区规避，得到规避后的期望速度；然后进入步骤十；设up1＝u1p1,t，任务区域中存在No个禁飞区；使用扰动矩阵修正领导者当前期望速度，得到考虑禁飞区规避后的修正期望速度为： 扰动矩阵的表达式为： 其中，ωkp1表示第k个禁飞区的权重系数，其表达式为： 式中，Γip1表示第i个禁飞区；第k个禁飞区的扰动矩阵的定义为： 其中，I为d×d维单位矩阵，又被称为吸引矩阵；ρk的定义为： 式中，为正常数，又称排斥反应系数；||p1,Ok||为从无人机到第k个禁飞区表面的距离； 的定义为： 其中，为正的常数，又称切向反应系数；第k个禁飞区的径向法向量为在垂直于nkp1的切平面S内，定义如下两个正交的切向量： 以tk,1p1，tk,2p1和nkp1分别为x′轴，y′轴和z′轴建立坐标系O′x′y′z′；在该坐标系中，切平面S上的任意单位切向量可表示为：t′kp1＝[cosθk,sinθk,0]T其中，θk∈[-π,π]为t′kp1和x′轴之间的夹角，称其为切向方向系数；t′kp1在地面系中表示为tkp1，后者可通过如下坐标变化得到：tkp1＝Tkt′kp1其中，Tk为由O′x′y′z′到地面系的变换矩阵；步骤九、当前无人机为跟随者，根据领导者的运动信息和梯度估计信息，计算跟随者的速度，执行队形保持；步骤十、对所得到的当前无人机期望速度进行运动学约束，得到各无人机实际的规划速度；具体为：假设Vt+Δt，χt+Δt和γt+Δt为t+Δt时刻规划得到的运动变量；对于领导者和跟随者，Vt+Δt分别为巡航速度V0和||ujpj||，χt+Δt和γt+Δt可表示为： 设ΔT为采样步长，和可表示为： 根据无人机的最大转弯率和最大爬升角速率分别对和进行限制，该过程表示为： 将和约束后与的代入到无人机的位置计算公式中，得到需用过载nii＝x,y,z；对需用过载进行约束，有： 将约束后的需用过载作为控制输入再代入到无人机的位置计算公式中，得到实际的V,χ和γ，即实际的规划速度步骤十一、利用各无人机实际的规划速度，计算各自下一步期望的航路点；下一步期望航路点的表达式为： 步骤十二：令i＝i+1，返回步骤五，重复进行下一架无人机自主源搜索航路规划。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 北京航空航天大学 一种基于无人机协同对峙监视的有害物扩散源搜索方法

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