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：2021-10-19

公开（公告）日：2024-04-19

公开（公告）号：CN113867393B

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：2024.04.19#授权;2022.01.21#实质审查的生效;2021.12.31#公开

摘要：本发明属于集群编队控制技术领域，提供一种航迹可控的无人机编队队形重构方法。本发明首先构建期望控制轨迹，然后结合固定翼无人机实际控制模型，设计控制律控制无人机趋近期望航迹，并沿期望航迹收敛到期望位置，最终到达无人机编队控制轨迹受控的效果。本发明控制思路简洁明了，将受控的编队重构问题分解为期望轨迹设计和期望轨迹跟踪两个子问题，易于在实践中实现轨迹受控的编队重构，降低了任务执行过程中编队无人机间的碰撞风险。

主权项：1.一种航迹可控的无人机编队队形重构方法,其特征在于，包括如下步骤：第一步：根据不同无人机编队飞行任务和无人机编队飞行任务的不同阶段，设计无人机编队构型；在无人机编队设计阶段指定一架无人机为长机，其他无人机为僚机，并进行相应编号；第二步：确定各编队构型下的各无人机期望几何约束采用长机的速度为基准，建立水平速度坐标系，即令x轴指向与无人机速度在当地水平坐标坐标系下的投影向量方向平行，y轴指向天，z轴指向按右手定则根据x轴和y轴指向确定；各僚机在长机水平速度坐标系下的期望位置矢量按下述方法确定；记期望构型下，长机和i号僚机在北天东惯性坐标系下的位置和分别为： 则i号僚机在长机水平速度坐标系下的期望位置可表述为： 其中Mg2hv0表示北天东惯性坐标系到水平速度坐标系的转换矩阵，由长机航迹偏航角θ0决定，矢量在北天东坐标系下的各轴分量表示如下： 任务执行前，各僚机预加载期望构型下其在长机水平速度坐标系下的期望位置；第三步：测量无人机编队控制需要的状态信息利用北天东惯性坐标系到长机水平速度坐标系的转换矩阵Mg2hv0可得各僚机与长机相对位置、相对速度在长机水平速度坐标系下的表示： 第四步：根据构型切换信号规划切换航迹各僚机位置调整时的期望航迹亦以航路点在长机水平速度坐标系下的位置来定义，即可以表达为： 其中为期望构型下i号僚机在长机水平速度坐标系下的期望相对位置；第五步：确定当前时刻期望位置、期望速度1僚机首次进入航迹调整阶段当僚机首次进入航迹调整阶段时，僚机结合自身位置和期望航迹下的各航路点位置确定其期望位置、期望速度，记各僚机当前相对于长机的位置在长机水平速度坐标系下可表示为ri0,hv0，按航迹点先后顺序依次取和计算ri0,hv0到和连线所在直线的距离，记di,i+1，并定义ri0,hv0到航迹各相邻航路点连线距离形成的集合为D＝{d1,2,d2,3,…,dn-1,n},取最小距离对应的两相邻航路点连线为当前僚机进入期望航迹的切入口；①工况1在首次进入航迹调整阶段时，僚机距航路点和连线的直线距离最近，且其在航路点和所在直线的垂直投影点位于由指向连线的延长线上，即有： 其中和分别表示期望航路点到无人机当前位置ri0,hv0和期望航路点的向量，则记无人机当前时刻对应期望位置和期望速度为： 其中v*表示期望速度的大小，在确定期望位置和期望速度后，将航迹中所有满足k≤i的航路点均标记为经过点；②工况2在首次进入航迹调整阶段时，僚机距航路点和连线的直线距离最近，且其在航路点和所在直线的垂直投影点位于和间的连线上，即有： 其中和分别表示期望航路点到无人机当前位置ri0,hv0和期望航路点的向量，则记无人机当前时刻对应期望位置和期望速度为： 其中表示的单位矢量在确定期望位置和期望速度后，将航迹中所有满足k≤i的航路点均标记为经过点；③工况3若在首次进入航迹调整阶段时，僚机距航路点和连线的直线距离最近，且其在航路点和所在直线的垂直投影点位于由指向连线的延长线上，即有： 则 其中j＝n对应工况3，即僚机距离航迹中最后两个航路点连线的直线距离最近，且其在航路点和所在直线的垂直投影点位于由指向连线的延长线上；2僚机非首次进入航迹调整阶段若航路点中存在未经过航路点，取航路点和其中为期望航迹中下标最小的未经过航路点，i＝j-1；若i＝1，则其对应期望位置和速度为： 若 则其对应期望位置和期望速度为： 若则 并将航路点置为经过航路点；若航路中所有航路点均为经过点，则对应期望位置和速度为： 第六步：生成编队控制指令，实现构型切换各僚机利用当前时刻在长机水平速度坐标系下的相对位置ri0,hv0和相对速度vi0,hv0，以及其当前时刻在期望航迹下的期望位置和期望速度计算僚机在长机水平速度坐标系下的编队控制指令ai,hv0＝[ax,i0,hv0ay,i0,hv0az,i0,hv0]T如下： 其中Δxi0,hv0、Δyi0,hv0、Δzi0,hv0、Δvx,i0,hv0、Δvy,i0,hv0和Δvz,i0,hv0分别表示位置偏差和速度偏差在水平速度坐标系下的各轴分量；将长机水平速度坐标系下的僚机编队控制指令转换到僚机速度坐标系下，即有：ai,vi＝Mg2vi[Mg2hv0]Tai,hv023其中Mg2vi为北天东惯性坐标系到i号僚机速度坐标系的转换矩阵，由僚机速度倾角θi,g和航迹偏航角ψi,g决定，ai,vi为编队控制指令加速度在i号僚机速度坐标系上的表示：ai,vi＝[ai,c,vai,c,θai,c,ψ]T24第七步：执行指令，并判断无人机编队是否终止飞行任务各僚机根据编队控制指令调整舵偏，同时按第三步实施方式要求测量长僚机相对状态和自身状态，生成任务执行状态，并判断是否终止飞行任务。

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