本方法涉及無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于行為的無(wú)人機(jī)編隊(duì)隊(duì)形保持的方法。

技術(shù)背景

人們根據(jù)在生物界觀察到的動(dòng)物合作現(xiàn)象，把它應(yīng)用到無(wú)人機(jī)的編隊(duì)隊(duì)形控制中，在許多的類(lèi)似的智能體領(lǐng)域里，都需要智能體在運(yùn)動(dòng)和工作的過(guò)程中保持固定的隊(duì)形，這在對(duì)于軍事的任務(wù)完成上更是非常重要的。

無(wú)人機(jī)協(xié)同編隊(duì)控制是一個(gè)具有通用性和典型性的多無(wú)人機(jī)協(xié)調(diào)的問(wèn)題，它是多無(wú)人機(jī)協(xié)調(diào)問(wèn)題的基礎(chǔ)。目前已經(jīng)出現(xiàn)了多無(wú)人機(jī)組成的無(wú)人機(jī)編隊(duì)，可以完成的任務(wù)有偵查，圍剿，抗敵，巡邏等等，在執(zhí)行任務(wù)中無(wú)人機(jī)之間的協(xié)調(diào)是非常重要的?？偠灾酂o(wú)人機(jī)的編隊(duì)隊(duì)形控制是一項(xiàng)很有價(jià)值的研究，應(yīng)用前景也十分廣泛。

多架無(wú)人機(jī)組成的編隊(duì)為了完成某一任務(wù)，在編隊(duì)飛行時(shí)需要進(jìn)行隊(duì)形保持和隊(duì)形變換，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中達(dá)到目的地。在編隊(duì)開(kāi)始行進(jìn)時(shí)需要完成某種隊(duì)形的形成；在沒(méi)有障礙物的環(huán)境中需要保持隊(duì)形，在有障礙物存在的環(huán)境中需要變換隊(duì)形進(jìn)行避障；最終達(dá)到指定目的地。

在多無(wú)人機(jī)編隊(duì)的控制飛行中，無(wú)人機(jī)之間需要彼此的通信交流來(lái)獲知并交換每架無(wú)人機(jī)各自的位置信息。無(wú)人機(jī)之間的通信主要分為顯式和隱式通信兩種。采用隱式通訊的多無(wú)人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)依靠的是無(wú)人機(jī)自身的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的其他無(wú)人機(jī)信息的獲取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)之間的通信協(xié)作。采用顯式通訊的多無(wú)人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)依靠的是某種介質(zhì)通過(guò)一種共同擁有的規(guī)定來(lái)實(shí)現(xiàn)信息之間的傳遞。比如無(wú)人機(jī)之間可以采用無(wú)線通信的技術(shù)，即利用tcp/ip協(xié)議進(jìn)行無(wú)人機(jī)之間的信息交互傳遞，但是通訊的帶寬限制使得無(wú)人機(jī)在信息的傳遞過(guò)程中容易出現(xiàn)問(wèn)題瓶頸。

隱式通訊或者是顯式通訊都有各自的系統(tǒng)本身自帶的問(wèn)題。由于這個(gè)原因可能導(dǎo)致所交換的信息無(wú)故的丟失或者存在延遲的問(wèn)題，這樣就會(huì)對(duì)通訊的效果有影響，甚至造成通訊系統(tǒng)的不穩(wěn)定問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于行為的無(wú)人機(jī)編隊(duì)隊(duì)形保持的方法。

本發(fā)明的基于行為的無(wú)人機(jī)編隊(duì)隊(duì)形保持的方法，包括如下步驟：

1)初始化無(wú)人機(jī)的位置和速度；

2)設(shè)計(jì)隊(duì)形中無(wú)人機(jī)的位置，確定隊(duì)形中的一架無(wú)人機(jī)為參考無(wú)人機(jī)；其它無(wú)人機(jī)與參考無(wú)人機(jī)保持固定的距離和角度，并且所有無(wú)人機(jī)獲得與隊(duì)形中其它無(wú)人機(jī)的距離和角度信息；

3)無(wú)人機(jī)按預(yù)期隊(duì)形實(shí)施奔向目標(biāo)行為并實(shí)時(shí)判斷各無(wú)人機(jī)與障礙物的間距；所述的障礙物是指無(wú)人機(jī)航線上的障礙物；

當(dāng)無(wú)人機(jī)編隊(duì)中的任意無(wú)人機(jī)與障礙物的間距小于設(shè)定的安全距離時(shí)，無(wú)人機(jī)編隊(duì)躲避障礙物并防止機(jī)間碰撞；否則無(wú)人機(jī)保持隊(duì)形向目標(biāo)位置前進(jìn)并實(shí)時(shí)判斷自身和障礙物的間距，避障階段結(jié)束；

4)實(shí)時(shí)判斷無(wú)人機(jī)編隊(duì)的預(yù)期隊(duì)形是否被打亂，當(dāng)隊(duì)形被打亂時(shí)，確定一架正常工作的無(wú)人機(jī)為參考無(wú)人機(jī)，其它無(wú)人機(jī)按預(yù)設(shè)的與該無(wú)人機(jī)的距離和角度恢復(fù)隊(duì)形；否則無(wú)人機(jī)編隊(duì)保持隊(duì)形行進(jìn)至目標(biāo)點(diǎn)，結(jié)束。

優(yōu)選的，所述的奔向目標(biāo)行為是指無(wú)人機(jī)編隊(duì)從當(dāng)前位置運(yùn)動(dòng)到期望位置的行為，即該行為使無(wú)人機(jī)編隊(duì)得到一個(gè)指向期望位置的輸出向量，從而使無(wú)人機(jī)完成向指定的期望位置的運(yùn)動(dòng)；

所述的避障行為是指無(wú)人機(jī)編隊(duì)避免與障礙物發(fā)生碰撞的行為；

所述的隊(duì)形保持行為是指當(dāng)無(wú)人機(jī)編隊(duì)知道自己所成隊(duì)形之后，任意無(wú)人機(jī)在編隊(duì)中與其它無(wú)人機(jī)的相互位置也就確定了，無(wú)人機(jī)按其與參考無(wú)人機(jī)的相互位置保持隊(duì)形。

優(yōu)選的，在編隊(duì)飛行的過(guò)程中，無(wú)人機(jī)檢測(cè)自己在編隊(duì)隊(duì)伍中的位置，當(dāng)發(fā)現(xiàn)位置與預(yù)設(shè)位置不一致時(shí)，即認(rèn)為編隊(duì)隊(duì)形被打亂；

確定自身位置的方法為同時(shí)運(yùn)動(dòng)領(lǐng)航參照點(diǎn)法和鄰居參照點(diǎn)法，

1)領(lǐng)航參照點(diǎn)法：首先在編隊(duì)中指派一架無(wú)人機(jī)作為參考無(wú)人機(jī)，其余的無(wú)人機(jī)的位置則以參考無(wú)人機(jī)的位置作為參照來(lái)確定自身在編隊(duì)中的預(yù)期位置；參考無(wú)人機(jī)不需要考慮如何的穩(wěn)定編隊(duì)的隊(duì)形，而其他的無(wú)人機(jī)需要每時(shí)每刻的保持好確定的隊(duì)形；

2)鄰居參照點(diǎn)法：在多無(wú)人機(jī)的編隊(duì)中，每一架無(wú)人機(jī)選擇與自己在隊(duì)形中最近的無(wú)人機(jī)的位置來(lái)作為參照點(diǎn)，然后依據(jù)鄰居無(wú)人機(jī)的位置來(lái)確定自身在隊(duì)形中的位置。

本方法提供的技術(shù)方案的有益效果是：

先分析了多無(wú)人機(jī)編隊(duì)隊(duì)形保持的一些基本問(wèn)題，然后具體設(shè)計(jì)了編隊(duì)控制的三種基本行為。在隊(duì)形保持行為中，分別采用了領(lǐng)航參照點(diǎn)法和鄰居參照點(diǎn)法來(lái)進(jìn)行隊(duì)形的設(shè)計(jì)，使得編隊(duì)隊(duì)形可以更快速的成形，無(wú)人機(jī)按預(yù)期隊(duì)形實(shí)施奔向目標(biāo)行為并實(shí)時(shí)判斷各無(wú)人機(jī)與障礙物的間距；實(shí)時(shí)判斷無(wú)人機(jī)編隊(duì)的預(yù)期隊(duì)形是否被打亂，當(dāng)隊(duì)形被打亂時(shí)，確定一架正常工作的無(wú)人機(jī)為參考無(wú)人機(jī)，其它無(wú)人機(jī)按預(yù)設(shè)的與該無(wú)人機(jī)的距離和角度恢復(fù)隊(duì)形。本發(fā)明可以有效的保證無(wú)人機(jī)編隊(duì)的隊(duì)形；在遇到障礙物時(shí)采取整個(gè)編隊(duì)避障的方式，避免單獨(dú)無(wú)人機(jī)避障方法容易產(chǎn)生機(jī)間碰撞和破壞隊(duì)形的問(wèn)題，也避免了單獨(dú)無(wú)人機(jī)避障方法隊(duì)形一旦打亂后需要復(fù)雜的恢復(fù)過(guò)程，本發(fā)明方法在隊(duì)形被打亂時(shí)，采取重新選擇參考無(wú)人機(jī)的方法進(jìn)行快速恢復(fù)，而在保持隊(duì)列過(guò)程中才用領(lǐng)航無(wú)人機(jī)和鄰近無(wú)人機(jī)結(jié)合的方式進(jìn)行編隊(duì)保持和判斷。

附圖說(shuō)明

圖1是領(lǐng)航參照點(diǎn)法示意圖；

圖2是路鄰居參照點(diǎn)法示意圖；

圖3是該方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明的一種基于行為的無(wú)人機(jī)編隊(duì)隊(duì)形保持的方法包括如下步驟：

1)初始化無(wú)人機(jī)的位置和速度；

2)設(shè)計(jì)隊(duì)形中無(wú)人機(jī)的位置，確定隊(duì)形中的一架無(wú)人機(jī)為參考無(wú)人機(jī)；其它無(wú)人機(jī)與參考無(wú)人機(jī)保持固定的距離和角度，并且所有無(wú)人機(jī)獲得與隊(duì)形中其它無(wú)人機(jī)的距離和角度信息；

3)無(wú)人機(jī)按預(yù)期隊(duì)形實(shí)施奔向目標(biāo)行為并實(shí)時(shí)判斷各無(wú)人機(jī)與障礙物的間距；所述的障礙物是指無(wú)人機(jī)航線上的障礙物；

當(dāng)無(wú)人機(jī)編隊(duì)中的任意無(wú)人機(jī)與障礙物的間距小于設(shè)定的安全距離時(shí)，無(wú)人機(jī)編隊(duì)躲避障礙物并防止機(jī)間碰撞；否則無(wú)人機(jī)保持隊(duì)形向目標(biāo)位置前進(jìn)并實(shí)時(shí)判斷自身和障礙物的間距，避障階段結(jié)束；

4)實(shí)時(shí)判斷無(wú)人機(jī)編隊(duì)的預(yù)期隊(duì)形是否被打亂，當(dāng)隊(duì)形被打亂時(shí)，確定一架正常工作的無(wú)人機(jī)為參考無(wú)人機(jī)，其它無(wú)人機(jī)按預(yù)設(shè)的與該無(wú)人機(jī)的距離和角度恢復(fù)隊(duì)形；否則無(wú)人機(jī)編隊(duì)保持隊(duì)形行進(jìn)至目標(biāo)點(diǎn)，結(jié)束。

優(yōu)選的，所述的奔向目標(biāo)行為是指無(wú)人機(jī)編隊(duì)從當(dāng)前位置運(yùn)動(dòng)到期望位置的行為，即該行為使無(wú)人機(jī)編隊(duì)得到一個(gè)指向期望位置的輸出向量，從而使無(wú)人機(jī)完成向指定的期望位置的運(yùn)動(dòng)；

所述的避障行為是指無(wú)人機(jī)編隊(duì)避免與障礙物發(fā)生碰撞的行為；

所述的隊(duì)形保持行為是指當(dāng)無(wú)人機(jī)編隊(duì)知道自己所成隊(duì)形之后，任意無(wú)人機(jī)在編隊(duì)中與其它無(wú)人機(jī)的相互位置也就確定了，無(wú)人機(jī)按其與參考無(wú)人機(jī)的相互位置保持隊(duì)形。

優(yōu)選的，在編隊(duì)飛行的過(guò)程中，無(wú)人機(jī)檢測(cè)自己在編隊(duì)隊(duì)伍中的位置，當(dāng)發(fā)現(xiàn)位置與預(yù)設(shè)位置不一致時(shí)，即認(rèn)為編隊(duì)隊(duì)形被打亂；

如圖1和2所示，確定自身位置的方法為同時(shí)運(yùn)動(dòng)領(lǐng)航參照點(diǎn)法和鄰居參照點(diǎn)法，

如圖1所示，1)領(lǐng)航參照點(diǎn)法：首先在編隊(duì)中指派一架無(wú)人機(jī)作為參考無(wú)人機(jī)，其余的無(wú)人機(jī)的位置則以參考無(wú)人機(jī)的位置作為參照來(lái)確定自身在編隊(duì)中的預(yù)期位置；參考無(wú)人機(jī)不需要考慮如何的穩(wěn)定編隊(duì)的隊(duì)形，而其他的無(wú)人機(jī)需要每時(shí)每刻的保持好確定的隊(duì)形；

如圖2所示，2)鄰居參照點(diǎn)法：在多無(wú)人機(jī)的編隊(duì)中，每一架無(wú)人機(jī)選擇與自己在隊(duì)形中最近的無(wú)人機(jī)的位置來(lái)作為參照點(diǎn)，然后依據(jù)鄰居無(wú)人機(jī)的位置來(lái)確定自身在隊(duì)形中的位置。