CN108983818A - 基于虚拟结构的无人机队形变换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于虚拟结构的无人机队形变换方法，应用于无人机编队及控制领域，针对现有的虚拟结构方法中每一个无人机跟随一个虚拟质点，由于虚拟结构受限，无法实现灵活的队形变换的问题；本发明首先建立基于虚拟结构的无人机队形，然后通过控制虚拟结构的飞行状态来控制整个编队的飞行状态，无人机围绕自身所属的虚拟质点运动，实现了基于虚拟结构的无人机队形的灵活变换。
Description
技术领域
本发明属于无人机编队及控制领域，特别涉及一种考虑了大规模小型无人机的编队及队形变换控制技术。
背景技术
无人机起源于军事领域，经过几十年的发展，目前已经进入了快速发展期，种类越来越多，应用领域不断拓展，任务类型越来越广泛。军事方面，微型无人机可以在野外作战的复杂地形情况下进行侦察及监视，还可用于特殊环境下侦察建筑物内部情况，监视、监听、解救人质以及反恐怖行动等。在民用方面，主要用于洪涝、森林火警以及地震等灾害的监测调查，以及民用航空拍摄、娱乐拍摄等。
随着现代社会信息化、智能化的程度加快，加之无人机应用的环境瞬息万变，单个无人机往往无法完成特定的任务，或者能较好完成任务的无人机往往价格贵。为弥补单架无人机的不足，提出以大规模、低成本、多功能的无人机集群代替单个无人机，通过空中组网、自主控制、群智决策等技术，实现无人机机群的协同作战。无人机的编队控制是指当多个无人机甚至成千上百的无人机联合运动时，各个体之间保持固定或变化的几何形状，同时完成障碍规避和内部避碰的任务约束。当无人机以编队模式一起执行任务时，无人机之间会存在相互影响，因此需要解决各个无人机之间信息沟通、交换、计算等难题，以保证无人机在执行任务过程中队形的生成、保持以及变换。目前队形控制的方法主要有：领航者-跟随者方法、基于行为的方法、虚拟结构法、基于人工势场函数方法以及基于一致性算法的方法。每一个方法都有各自的优缺点，例如，基于行为的方法存在明确的队形反馈，无人机根据其它无人机的位置信息进行反应，且***可以实现分布式控制，从而提高***的实时性和并行性。缺点在于群体行为没有明确的定义，对其进行数学分析非常困难。虚拟结构法的优点为只需要定义刚体的运动行为就可以控制整个智能体群体的运动，而且该方法还可以进行队形反馈。但其缺点在于其应用范围很大程度上受到虚拟结构法形成的队形的限制，即无法实现灵活的队形变换。而领航者-跟随者方法存在一旦领航者失效，整个编队受到波动的较大甚至失效的缺点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于虚拟结构的无人机队形变换方法，实现无人机队形灵活变换。
本发明采用的技术方案为：基于虚拟结构的无人机队形变换方法，包括：
S1、建立基于虚拟结构的无人机队形；
S2、基于步骤S1建立的无人机队形，根据地面控制基站发送的队形变换指令，各无人机采用自动跟随模式变换队形；
S3、基于步骤S1建立的无人机队形，根据地面控制基站发送的队形重组指令，各无人机采用强制跟随模式重组队形。
进一步地，步骤S1包括以下分步骤：
S11、采用Delaunay三角剖分算法生成以虚拟质点为生成元的Voronoi图；每一个生成元对应一个多边形Voronoi区域；每个多边形Voronoi区域内点到该多边形Voronoi区域内生成元的距离小于到其它生成元距离；相邻多边形Voronoi区域共同边上的点到相邻两个多边形Voronoi区域中的生成元距离相等；
S12、无人机收到起飞指令后，采用强制跟随模式，当跟随指定虚拟质点抵达其所属多边形Voronoi区域后，无人机切换为自动跟随模式；
S13、根据无人机受到的来自相邻无人机的排斥力以及来自虚拟质点的吸引力，建立无人机的力平衡模型。
更进一步地，无人机力平衡模型表达式为：
其中，Vi为无人机i通信范围内的无人机集合，Fr,ij为无人机i受到的相邻无人机j的斥力，Fa,i为无人机i受到虚拟质点的吸引力，Fi为无人机的受力大小，当Fi为0时表示无人机处于力平衡状态。
更进一步地，由大地惯性坐标系中的一系列惯性坐标组成无人机编队的虚拟结构，所述虚拟结构包括若干虚拟质点，其中每个虚拟质点表示为二元组＜p,v＞，p为该虚拟质点在大地坐标系中的位置向量，v为该虚拟质点的运动速度。
进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：
S21、地面控制基站将发送的队形变换指令翻译为由虚拟质点坐标参数表示的队形变换控制指令；并通过远程通信信道向无人机集群发送队形变换控制指令；
S22、各无人机基于就近原则，采用自动跟随模式，跟随距离最近的虚拟质点飞行，并建立与相邻无人机以及最近的虚拟质点的力平衡模型，达到力平衡状态。
进一步地，步骤S3具体包括以下步骤：
S31、地面控制基站通过远程通信信道向无人机集群发送队形重组指令；
S32、无人机建立与相邻无人机以及虚拟质点之间力平衡模型，采用强制跟随模式，跟随指定虚拟质点飞行，当抵达指定虚拟质点区域后，切换为自动跟随模式。
更进一步地，所述队形重组控制指令格式为：每一个虚拟质点后跟随该虚拟质点的编号以及该虚拟质点控制的无人机编号。
本发明的有益效果：本发明首先建立基于虚拟结构的无人机队形，然后通过控制虚拟结构的飞行状态来控制整个编队的飞行状态，无人机围绕自身所属的虚拟质点运动，实现了基于虚拟结构的无人机队形的灵活变换；与现有的虚拟结构方法中每一个无人机跟随一个虚拟质点相比，本发明的方法不需要控制大量的虚拟质点，不仅能保证良好的队形控制效果，且通信量小，控制难度低。
附图说明
图1为本发明的方案流程图；
图2为无人机的控制状态转移图；
图3为以虚拟质点集为生成元的Voronoi图；
图4为无人机建立起飞—跟随过程的原理图；
图5为基于虚拟结构的无人机队形建立示意图；
图6为基于虚拟结构的无人机队形变换示意图；
图7为基于虚拟结构的无人机队形合并示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本发明针对现有编队控制技术存在的缺陷，提出了一种基于虚拟结构的无人机队形变换方法，本发明的方案流程图如图1所示，由以下三个步骤实现：
S1、建立基于虚拟结构的无人机队形；
S11：建立无人机编队的虚拟结构，生成以虚拟质点集为生成元的Voronoi图
由大地惯性坐标系中的一系列惯性坐标组成无人机编队的虚拟结构，其中每个虚拟质点表示为二元组＜p,v＞，其中向量p为该虚拟质点在大地坐标系中的位置向量，向量v为该虚拟质点的运动速度。这样，多个虚拟质点就构成了编队的虚拟结构，虚拟质点的状态即为实际无人机编队的期望状态。
其中，大地坐标系是相对于地球表面不动的一种坐标系，可以采用WGS-84坐标系或其它等价坐标系。在WGS-84坐标系中，每个坐标通过经度、纬度和高度表示。
本发明中采用Delaunay三角剖分算法生成以虚拟质点为生成元的Voronoi图，如图3所示；为了便于简要叙述，这里仅画出了二维的示意图。图中黑色圆点即为虚拟质点，由这些虚拟质点构成了无人机编队的虚拟结构，每一个多边形为以对应虚拟质点为生成元的Voronoi区域，其特点为：每个多边形Voronoi区域内有一个生成元；每个多边形Voronoi区域内点到该生成元距离短于到其它生成元距离；相邻多边形Voronoi区域共同边上的点到相邻两个多边形Voronoi区域中的生成元距离相等。
S12：建立无人机起飞过程
步骤S11生成的Voronoi图将整个天空划分为了多个区域，每一个区域有一个虚拟质点，编号为i(i∈[1,N])。通过控制中心向每一个无人机发送需要跟随的虚拟质点的编号。无人机与相邻无人机持续保持斥力，以避免相互碰撞。通过虚拟质点坐标确定无人机起飞的方向，当无人机进入所属虚拟质点的区域后，与虚拟质点及相邻无人机建立力平衡模型。具体方法如下：
图4所示，图中小三角形代表虚拟质点。假设无人机起飞时刻虚拟质点的坐标P1为＜p1,v＞，其中位置向量为p1＝[x1,y1,z1]，v＝[v1,v2,v3]。经过t时间以后，虚拟质点到达P2位置＜p2,v＞，即p2＝[v1t,v2t,v3t]。期望此时无人机也到达P2位置附近，无人机飞行速度的大小为u，通过以下公式(1)求得无人机的飞行方向。
p1+v·t＝u·t (1)
S13：建立无人机的力平衡模型
公式(2)表示无人机i与相邻无人机j之间的相互作用力(斥力)，其中xij表示无人机i与相邻无人机j之间的距离，是单位向量，表示从无人机i指向无人机j的单位向量，α为斥力系数，α≥1，FR为预先设置的固定排斥力。无人机之间的斥力保证了无人机之间处于安全距离，避免发生碰撞。
无人机除了受到来自相邻无人机的作用力，还受到来自虚拟质点的吸引力，使得无人机能跟随虚拟质点形成队形。公式(3)无人机i与其所属虚拟质点之间的相互作用力(吸引力)，其中xi表示无人机i与虚拟质点之间的距离，单位向量，表示从无人机i指向虚拟质点的单位向量。β为吸引力系数，β≥0，FA为预先设置的固定吸引力。
公式(4)代表了无人机i的受力情况，当Fi为0时达到力平衡状态，式中Vi为无人机i通信范围内的无人机集合，Fr,ij为无人机i受到的相邻无人机j的斥力，Fa,i为无人机i受到虚拟质点的吸引力。当整个集群的无人机都达到力平衡状态时，整个无人机编队也达到平衡状态，建立如图5所示的无人机队形，其中小三角形代表虚拟质点。
S2、基于步骤S1建立的无人机队形，根据地面控制基站发送的队形控制指令，各无人机采用自动跟随模式变换队形；
S21：地面控制基站向无人机集群发送队形变换指令
地面控制基站将队形的控制指令，如(尖角形，直线形，圆形，三角形，人字形等)翻译为由虚拟质点坐标参数表示的队形，通过远程通信信道向无人机集群发送队形变换指令。
S22：无人机基于就近原则采用自动跟随模式建立编队
在步骤S1建立无人机队形之后，无人机采取自动跟随模式。当无人机接收到队形变换指令及由虚拟质点坐标参数表示的队形之后，采取就近跟随原则，跟随最近的虚拟质点飞行，每一架无人机与相邻无人机以及最近的虚拟质点之间的力平衡模型，即公式(4)，逐步达到力平衡状态，形成如图6的无人机编队，并通过控制虚拟质点的速度和运动状态，控制整个无人机编队的飞行状态。
S3、基于步骤S1建立的无人机队形，根据地面控制基站发送的队形重组指令，各无人机采用强制跟随模式重组队形。
S31：地面控制基站向无人机集群发送新的虚拟结构信息
地面控制基站将队形重组指令，翻译为由虚拟质点坐标参数表示的队形，通过远程通信信道向无人机集群发送队形重组指令。控制信息格式为：每一个虚拟质点后跟随该虚拟质点的编号以及该虚拟质点控制的无人机编号。无人机模式切换为强制跟随模式，以执行重组指令。
S32：无人机根据步骤S31中的虚拟结构采用强制跟随模式建立编队
当无人机接收到控制信息后，通过查找匹配找到自己跟随的虚拟质点。然后，与相邻无人机以及虚拟质点建立力平衡模型，即公式(4)代表的状态，并跟随虚拟质点飞行，当抵达指定虚拟质点区域后，再切换为自动跟随模式，由此实现无人机队形的***或合并操作。图7表示重组前，无人机队形由多个虚拟质点控制，合并后，只有一个虚拟质点。
综上所述，无人机的控制状态在自由跟随模式和强制跟随模式两种之间切换，如图2所示。具体为：无人机起飞建立无人机队形为强制跟随模式，队形建立之后无人机自动转换为自由跟随模式。之后，无人机编队在空中飞行，只存在队形变换和队形重组两种情况，队形变换采用自由跟随模式，队形重组则采取强制跟随模式，避免无人机在编队重组过程中发生无人机碰撞。无人机集群完成编队飞行或任务后，采用强制跟随模式进行降落。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (7)
1.基于虚拟结构的无人机队形变换方法，其特征在于，包括：
S1、建立基于虚拟结构的无人机队形；
S2、基于步骤S1建立的无人机队形，根据地面控制基站发送的队形变换指令，各无人机采用自动跟随模式变换队形；
S3、基于步骤S1建立的无人机队形，根据地面控制基站发送的队形重组指令，各无人机采用强制跟随模式重组队形。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟结构的无人机队形变换方法，其特征在于，步骤S1包括以下分步骤：
S11、采用Delaunay三角剖分算法生成以虚拟质点为生成元的Voronoi图；每一个生成元对应一个多边形Voronoi区域；每个多边形Voronoi区域内点到该多边形Voronoi区域内生成元的距离小于到其它生成元距离；相邻多边形Voronoi区域共同边上的点到相邻两个多边形Voronoi区域中的生成元距离相等；
S12、无人机收到起飞指令后，采用强制跟随模式，当跟随指定虚拟质点抵达其所属多边形Voronoi区域后，无人机切换为自动跟随模式；
S13、根据无人机受到的来自相邻无人机的排斥力以及来自虚拟质点的吸引力，建立无人机的力平衡模型。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟结构的无人机队形变换方法，其特征在于，无人机力平衡模型表达式为：
其中，Vi为无人机i通信范围内的无人机集合，Fr,ij为无人机i受到的相邻无人机j的斥力，Fa,i为无人机i受到虚拟质点的吸引力，Fi为无人机的受力大小，当Fi为0时表示无人机处于力平衡状态。
4.根据权利要求2所述的基于虚拟结构的无人机队形变换方法，其特征在于，由大地惯性坐标系中的一系列惯性坐标组成无人机编队的虚拟结构，所述虚拟结构包括若干虚拟质点，其中每个虚拟质点表示为二元组＜p,v＞，p为该虚拟质点在大地坐标系中的位置向量，v为该虚拟质点的运动速度。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟结构的无人机队形变换方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：
S21、地面控制基站通过远程通信信道向无人机集群发送队形变换指令与由虚拟质点坐标参数表示的队形；
将发送的队形变换指令翻译为由虚拟质点坐标参数表示的队形变换控制指令；并通过远程通信信道向无人机集群发送队形变换控制指令；
S22、各无人机基于就近原则，采用自动跟随模式，跟随距离最近的虚拟质点飞行，并建立与相邻无人机以及最近的虚拟质点的力平衡模型，达到力平衡状态。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟结构的无人机队形变换方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下步骤：
S31、地面控制基站通过远程通信信道向无人机集群发送队形重组指令；
S32、无人机建立与相邻无人机以及虚拟质点之间力平衡模型，采用强制跟随模式，跟随指定虚拟质点飞行，当抵达指定虚拟质点区域后，切换为自动跟随模式。
7.根据权利要求6所述的基于虚拟结构的无人机队形变换方法，其特征在于，所述队形重组控制指令格式为：每一个虚拟质点后跟随该虚拟质点的编号以及该虚拟质点控制的无人机编号。
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