本發(fā)明涉及無人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種無人機(jī)集群控制方法。

背景技術(shù)：

多架無人機(jī)(unmannedaerialvehicles，uavs)彼此協(xié)同完成軍事目標(biāo)打擊、目標(biāo)跟蹤與偵察等任務(wù)可大幅度減少任務(wù)執(zhí)行的時間、提高作戰(zhàn)的效率和成功率。隨著作戰(zhàn)環(huán)境的日趨復(fù)雜，不僅空間無人機(jī)的數(shù)量和密度上升，而且強(qiáng)電磁環(huán)境易使無人機(jī)通信致盲，以及潛在的突發(fā)障礙給無人機(jī)集群的飛行控制與安全帶來一系列挑戰(zhàn)，已成為一個亟待解決的問題。

無人機(jī)集群系統(tǒng)屬于局部感知或通信的分布式體系結(jié)構(gòu)，目前主要的控制方法有：基于局部規(guī)則的控制、軟控制、領(lǐng)航跟隨法和人工勢場法。基于局部規(guī)則的控制方法最基礎(chǔ)，能實(shí)現(xiàn)集群智能的涌現(xiàn)控制，但僅靠它難使集群涌現(xiàn)到期望的控制方向；軟控制是在局部規(guī)則的基礎(chǔ)上通過為集群加入一外部可控的個體引導(dǎo)群內(nèi)其它個體朝著人們期望的方向運(yùn)動；領(lǐng)航控制法利用集群中信息豐富的個體引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)集群控制，現(xiàn)有技術(shù)中將掌握航跡信息的個體直接設(shè)為領(lǐng)導(dǎo)者，沒考慮個體間在無直接通信的實(shí)際情況下如何辨識誰是領(lǐng)導(dǎo)者的問題；人工勢場通過構(gòu)建全局勢場函數(shù)引導(dǎo)智能體向勢能降低的方向運(yùn)動，該方法簡單實(shí)用，在避障方面有優(yōu)勢，但存在局部極值問題。綜上，現(xiàn)有技術(shù)中的無人機(jī)集群控制方法普遍存在研究情況理想、方法使用各有利弊，存在靈活性不足、控制與避障效果不佳等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何提供一種活性強(qiáng)，一致性好，控制與避障效果顯著的無人機(jī)集群運(yùn)動控制方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種無人機(jī)集群控制方法，其特征在于包括如下步驟：

通過無人機(jī)集群群內(nèi)部成員的空間位置、速度以及加速度構(gòu)建無人機(jī)集群群內(nèi)部成員模型；

構(gòu)建無人機(jī)集群群內(nèi)部成員的加速度控制函數(shù)；

通過構(gòu)建的所述加速度控制函數(shù)實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)集群群內(nèi)部成員的群聚運(yùn)動、朝向目標(biāo)運(yùn)動以及規(guī)避障礙運(yùn)動進(jìn)行控制。

進(jìn)一步的技術(shù)方案在于，無人機(jī)集群是由n個個體組成的分布式系統(tǒng)，每個個體的運(yùn)動可抽象為：

其中：pi表示無人機(jī)i的空間位置，vi表示速度，ai表示加速度，表示對pi求一階導(dǎo)數(shù)，表示對vi求一階導(dǎo)數(shù)。

進(jìn)一步的技術(shù)方案在于，無人機(jī)i飛行時存在以下約束：

加速度約束：

其中，amax為無人機(jī)的最大加速度；

速度約束：

其中，vmax為無人機(jī)的最大速度。

進(jìn)一步的技術(shù)方案在于，對無人機(jī)集群群內(nèi)部成員的個體i的質(zhì)量進(jìn)行歸一化處理后其運(yùn)動控制量加速度函數(shù)ai表示為：

ai＝γ1·α·fi^g+γ2·fi^o+γ3·fi^j+γ1·(1-α)·fi^g(4)

上式中γ1·α·fi^g為目標(biāo)吸引產(chǎn)生的控制分量，γ2·fi^o為規(guī)避障礙所需的控制分量，γ3·fi^j為群內(nèi)鄰居無人機(jī)j對無人機(jī)i產(chǎn)生的群聚作用力，γ1·(1-α)·fi^g為無人機(jī)個體g領(lǐng)導(dǎo)無人機(jī)個體i產(chǎn)生的控制分量；α為無人機(jī)個體i接收到航點(diǎn)信息的標(biāo)志，α＝1表示無人機(jī)i能接收航點(diǎn)信息，此時(4)式等號右側(cè)的γ1·(1-α)·fi^g為0；α＝0則表示無人機(jī)i不能接收航點(diǎn)信息，(4)式等號右側(cè)的γ1·α·fi^g為0，γ1·(1-α)·fi^g不為0，個體i將從探測區(qū)域內(nèi)選擇無人機(jī)g作為領(lǐng)導(dǎo)者進(jìn)行跟隨，即接收不到目標(biāo)航點(diǎn)的情況下把無人機(jī)g作為目標(biāo)航點(diǎn)并朝向它運(yùn)動；γ1、γ2和γ3為各個控制分量的權(quán)重，fi^g為目標(biāo)g與無人機(jī)i的作用力函數(shù)，fi^o為障礙o與無人機(jī)i之間的作用力函數(shù)，fi^j為無人機(jī)j與無人機(jī)i的作用力函數(shù)，fi^g為無人機(jī)i與選定的領(lǐng)導(dǎo)者無人機(jī)g之間的作用力。

進(jìn)一步的技術(shù)方案在于，所述群聚運(yùn)動作用力函數(shù)fi^j的構(gòu)建方法如下：

設(shè)無人機(jī)個體i通過視覺感知周圍個體的位置和速度，探測距離為da；以個體i為中心，da為半徑，構(gòu)成的圓形區(qū)域?yàn)闊o人機(jī)i的探測區(qū)域；鄰域為t時刻落在無人機(jī)i的探測區(qū)域內(nèi)的無人機(jī)個體集合；該探測區(qū)域劃分為三個區(qū)域：排斥域一致域吸引域排斥域rⁿ空間的點(diǎn)集一致域吸引域其中，dr為排斥域與一致域的分界距離，do為一致域與吸引域的分界距離，0＜dr＜do＜da，rⁿ表示n維實(shí)數(shù)集，表示無人機(jī)i和無人機(jī)j之間的距離；

鄰域內(nèi)的無人機(jī)j與無人機(jī)i之間的作用力fi^j表示為：

其中，fi^j＝-▽vi^j；

其中：fi^j由無人機(jī)i和無人機(jī)j的位置pi、pj和速度vi、vj決定；決定的方法：表示力的作用方向，為單位方向矢量，fi^j為該作用力的大小，由無人機(jī)i和無人機(jī)j的位置pi、pj根據(jù)(7)式求解；vi^j為由無人機(jī)i和無人機(jī)j的位置pi、pj產(chǎn)生的勢場，對vi^j求負(fù)梯度得到fi^j；-▽vi^j為對vi^j求負(fù)梯度；由無人機(jī)i和無人機(jī)j的速度vi、vj產(chǎn)生的作用力為式(5)中等號右側(cè)的第二項(xiàng)；為無人機(jī)i和無人機(jī)j之間的斥力強(qiáng)度控制參數(shù)、為距離調(diào)節(jié)參數(shù)、為無人機(jī)i和無人機(jī)j之間的引力強(qiáng)度控制參數(shù)，為無人機(jī)i和無人機(jī)j之間的速度一致性控制參數(shù)，和可先給定一初值，然后在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時再進(jìn)一步調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步的技術(shù)方案在于，所述無人機(jī)i朝向目標(biāo)運(yùn)動的作用力函數(shù)fi^g的構(gòu)建方法如下：

1)所有個體均可獲得航點(diǎn)信息

將無人機(jī)航跡分解成一系列序列位置點(diǎn)track＝{t1,t2,...tm}，隨時間由機(jī)載或地面控制站的廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)射端逐個發(fā)送，設(shè)集群內(nèi)部每架無人機(jī)可通過機(jī)載廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)接收端實(shí)時接收廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)射端發(fā)送的航點(diǎn)位置、速度，個體與當(dāng)前航點(diǎn)的位置偏差為構(gòu)造目標(biāo)g與無人機(jī)i之間的作用力函數(shù)fi^g如下：

其中，

其中：fi^g為目標(biāo)g與無人機(jī)i之間的作用力，由無人機(jī)i和目標(biāo)g的位置pi、tk和速度vi、vg決定；決定的方法如下：表示該作用力的作用方向，為單位方向矢量，fi^g為該作用力的大小，由無人機(jī)i和目標(biāo)g的位置根據(jù)(9)式求解，無人機(jī)i和目標(biāo)g之間的距離為由無人機(jī)i和目標(biāo)g的速度差產(chǎn)生的作用力為(8)式中等號右側(cè)的第二項(xiàng)；其中vg的求法如下：在將無人機(jī)航跡分解成一系列序列位置點(diǎn)track＝{t1,t2,...tm}后，設(shè)每兩個相鄰航跡點(diǎn)tk和tk+1之間播發(fā)的時間間隔為δt，k＝1...m-1，則目標(biāo)航點(diǎn)在該航跡段的飛行速度為為無人機(jī)i和目標(biāo)g之間的作用強(qiáng)度控制系數(shù)，r^τ為目標(biāo)g與無人機(jī)i之間的引力形式發(fā)生變化的分界距離；

2)少部分個體可獲得航點(diǎn)信息

在少部分個體可獲得航點(diǎn)信息的情況下，對于能獲得航跡信息的個體，按著1)中描述的方法產(chǎn)生作用力fi^g；對于不能獲得航點(diǎn)信息的個體i，則采用以下方法選出鄰域內(nèi)運(yùn)動速度變化最快的個體g：

其中表示無人機(jī)j在t時刻和t-τ時刻都在無人機(jī)i的鄰域內(nèi)，τ為個體i前后兩次對鄰域內(nèi)的個體位置進(jìn)行觀察的時間間隔，δj表示τ時間段內(nèi)無人機(jī)j的位置變化量，為無人機(jī)j在t時刻的位置，為無人機(jī)j在t-τ時刻的位置；個體i采用(10)式所述的方法從鄰域中辨識出速度最快的個體g后，把它當(dāng)作目標(biāo)進(jìn)行追隨，二者之間通過以下函數(shù)作用：

其中，

其中：fi^g為無人機(jī)g與無人機(jī)i之間的作用力，由無人機(jī)i和無人機(jī)g的位置pi、pg和速度vi、vg決定；決定的方法如下：表示該作用力的方向，為單位方向矢量，fi^g為該作用力的大小，由無人機(jī)i和無人機(jī)g的位置pi、pg根據(jù)(12)式求解，無人機(jī)i和無人機(jī)g之間的距離由無人機(jī)i和無人機(jī)g的速度vi、vg產(chǎn)生的作用力為(11)式中等號右側(cè)的第二項(xiàng)；dr為引力與斥力的分界距離，dr+r^t為目標(biāo)無人機(jī)個體g與無人機(jī)i之間的引力形式發(fā)生變化的分界距離；為無人機(jī)i和無人機(jī)g之間的斥力強(qiáng)度控制系數(shù)、為距離調(diào)節(jié)參數(shù)、均為無人機(jī)i和無人機(jī)g之間的引力強(qiáng)度控制系數(shù)，為無人機(jī)i和無人機(jī)g之間的速度一致性控制系數(shù)，和可先給定一初值，再在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時進(jìn)一步調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步的技術(shù)方案在于，設(shè)個體i與障礙物o之間的警戒距離為γ^β，其中γ^β＜da，則二者之間通過以下函數(shù)進(jìn)行控制：

其中，

其中：fi^o為障礙o與無人機(jī)i之間的作用力，由無人機(jī)i和障礙o的位置pi、po和速度vi、vo決定，決定的方法：表示該作用力的作用方向，為單位方向矢量，fi^o為該作用力的大小，由無人機(jī)i和障礙o的位置pi、po根據(jù)(14)式求解，無人機(jī)i和障礙o之間的距離另由無人機(jī)i和障礙o的速度vi、vo產(chǎn)生的作用力為(13)式中等號右側(cè)的第二項(xiàng)；γ^β為無人機(jī)i和障礙物o之間的警戒距離，為距離調(diào)節(jié)參數(shù)，為無人機(jī)i和障礙o之間的斥力強(qiáng)度調(diào)節(jié)系數(shù)，為無人機(jī)i和障礙o之間的速度一致性控制系數(shù)，和γ^β可先給定一初值，再在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時進(jìn)一步調(diào)節(jié)。

采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于：所述方法首先通過將局部規(guī)則與勢場法融合產(chǎn)生了一種新的控制函數(shù)，并結(jié)合軟控制方法控制虛擬的目標(biāo)航點(diǎn)的運(yùn)動成功引導(dǎo)個體實(shí)現(xiàn)了聚集和集群的飛行控制，對未知突發(fā)障礙在有限視覺感知的基礎(chǔ)上提出“探測即規(guī)避”的避障策略；其次，針對電磁環(huán)境只有部分個體能正常接收航跡信息的情況，采用鄰域辨識的方法為未接收到航跡信息的個體選定目標(biāo)個體進(jìn)行跟隨，實(shí)現(xiàn)期望的集群運(yùn)動。本發(fā)明所述方法在控制集群運(yùn)動方面控制簡單、考慮的情形比較接近實(shí)際情況、靈活性強(qiáng)，一致性好，控制與避障效果顯著。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例所述方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例所述方法中個體成員之間的作用力圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例所述方法中個體與目標(biāo)航點(diǎn)之間的作用力圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例所述方法中個體與目標(biāo)個體之間的作用力圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例所述方法中個體與障礙之間的作用力圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例所述方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時無人機(jī)個體聚集和沿航跡飛行的軌跡圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例所述方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時各架無人機(jī)之間距離的曲線圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例所述方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時編隊(duì)中心與實(shí)時航點(diǎn)的距離偏差曲線圖；

圖9是本發(fā)明實(shí)施例所述方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時無人機(jī)集群躲避障礙的場景圖；

圖10是本發(fā)明實(shí)施例所述方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時各無人機(jī)到障礙的距離曲線圖；

圖11是本發(fā)明實(shí)施例所述方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時基于鄰域辨識的集群控制的無人機(jī)航跡圖；

其中，1、規(guī)劃的航跡曲線；2、各無人機(jī)航跡曲線；

3、無人機(jī)1與無人機(jī)2之間的距離曲線；4、無人機(jī)1與無人機(jī)3之間的距離曲線；5、無人機(jī)1與無人機(jī)4之間的距離曲線；6、無人機(jī)1與無人機(jī)5之間的距離曲線；7、無人機(jī)1與無人機(jī)6之間的距離曲線；8、無人機(jī)2與無人機(jī)3之間的距離曲線；9、無人機(jī)2與無人機(jī)4之間的距離曲線；10、無人機(jī)2與無人機(jī)5之間的距離曲線；11、無人機(jī)2與無人機(jī)6之間的距離曲線；12、無人機(jī)3與無人機(jī)4之間的距離曲線；13、無人機(jī)3與無人機(jī)5之間的距離曲線；14、無人機(jī)3與無人機(jī)6之間的距離曲線；15、無人機(jī)4與無人機(jī)5之間的距離曲線；16、無人機(jī)4與無人機(jī)6之間的距離曲線；17、無人機(jī)5與無人機(jī)6之間的距離曲線；

18、障礙物一；19、障礙物二；20、無人機(jī)1與障礙物一之間的距離曲線；21、無人機(jī)1與障礙物二之間的距離曲線；22、無人機(jī)2與障礙物一之間的距離曲線；23、無人機(jī)2與障礙物二之間的距離曲線；24、無人機(jī)3與障礙物一之間的距離曲線；25、無人機(jī)3與障礙物二之間的距離曲線；26、無人機(jī)4與障礙物一之間的距離曲線；27、無人機(jī)4與障礙物二之間的距離曲線；28、無人機(jī)5與障礙物一之間的距離曲線；29、無人機(jī)5與障礙物二之間的距離曲線；30、無人機(jī)6與障礙物一之間的距離曲線；31、無人機(jī)6與障礙物二之間的距離曲線；32、第三種情況下能夠接收航點(diǎn)信息的無人機(jī)航跡曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施例的限制。

總體的，如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例公開了一種無人機(jī)集群控制方法，包括如下步驟：

s101：通過無人機(jī)集群群內(nèi)部成員的空間位置、速度以及加速度構(gòu)建無人機(jī)集群群內(nèi)部成員模型；

s102：構(gòu)建無人機(jī)集群群內(nèi)部成員的加速度控制函數(shù)；

s103：通過構(gòu)建的所述加速度控制函數(shù)實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)集群群內(nèi)部成員的群聚運(yùn)動(主要解決集群內(nèi)部的避碰、保持速度的一致性以及群的整體性)、朝向目標(biāo)運(yùn)動以及規(guī)避(集群外部)障礙的運(yùn)動進(jìn)行控制。

以下從建模、穩(wěn)定性分析以及仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三個方面對所述方法進(jìn)行詳細(xì)的說明：

1、構(gòu)建無人機(jī)集群群內(nèi)部成員的加速度函數(shù)

1.1群內(nèi)部成員模型

無人機(jī)集群是由n個個體組成的分布式系統(tǒng)，每個個體的運(yùn)動可用一個6自由度的運(yùn)動方程表示，經(jīng)過模型化簡和質(zhì)量歸一化處理可抽象為以下形式：

其中pi表示無人機(jī)i的空間位置，vi表示速度，ai表示加速度，表示對pi求一階導(dǎo)數(shù)，表示對vi求一階導(dǎo)數(shù)。通過在制導(dǎo)系統(tǒng)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)加速度ai可控制無人機(jī)沿著預(yù)定路徑飛行，其它交由自動駕駛儀完成。另外，無人機(jī)i飛行時存在以下約束：

加速度約束：

其中，amax為無人機(jī)的最大加速度。

速度約束：

其中，vmax為無人機(jī)的最大速度。

1.2個體的運(yùn)動控制規(guī)則

本發(fā)明所述的無人機(jī)集群的整體運(yùn)動受集群內(nèi)無人機(jī)個體運(yùn)動規(guī)則控制，是個體間局部交互產(chǎn)生的一種涌現(xiàn)行為。根據(jù)個體行為交互對象的不同，可將集群內(nèi)部個體的運(yùn)動分解為三個子目標(biāo)：保持群聚、奔向目標(biāo)和規(guī)避障礙，因此它受鄰近個體群聚力、目標(biāo)的吸引力與障礙的排斥力三者的綜合作用，對個體質(zhì)量進(jìn)行歸一化處理后其運(yùn)動控制量加速度函數(shù)ai可表示為：

ai＝γ1·α·fi^g+γ2·fi^o+γ3·fi^j+γ1·(1-α)·fi^g(4)

上式中γ1·α·fi^g為目標(biāo)吸引產(chǎn)生的控制分量，γ2·fi^o為規(guī)避障礙所需的控制分量，γ3·fi^j為群內(nèi)鄰居無人機(jī)j對無人機(jī)i產(chǎn)生的群聚作用力；γ1·(1-α)·fi^g為無人機(jī)個體g領(lǐng)導(dǎo)無人機(jī)個體i產(chǎn)生的控制分量；α為無人機(jī)個體i接收到航點(diǎn)信息的標(biāo)志，α＝1表示無人機(jī)i能接收航點(diǎn)信息，此時(4)式等號右側(cè)的γ1·(1-α)·fi^k為0；α＝0則表示無人機(jī)i不能接收航點(diǎn)信息，(4)式等號右側(cè)的γ1·α·fi^g為0和γ1·(1-α)·fi^g不為0，個體i將從探測區(qū)域內(nèi)選擇無人機(jī)g作為領(lǐng)導(dǎo)者，即接收不到目標(biāo)航點(diǎn)的情況下把無人機(jī)g視為領(lǐng)導(dǎo)者并跟隨它運(yùn)動；γ1、γ2和γ3為各個控制分量的權(quán)重，fi^g為目標(biāo)g與無人機(jī)i的作用力函數(shù)，fi^o為障礙o與無人機(jī)i之間的作用力函數(shù)，fi^j為無人機(jī)j與無人機(jī)i的作用力函數(shù)，fi^g為無人機(jī)i與選定的領(lǐng)導(dǎo)者無人機(jī)g之間的作用力。

1.2.1群聚運(yùn)動的控制

設(shè)無人機(jī)個體i通過視覺感知周圍個體的位置和速度，探測距離為da；以個體i為中心，da為半徑，構(gòu)成的圓形區(qū)域?yàn)闊o人機(jī)i的探測區(qū)域；鄰域為t時刻落在無人機(jī)i的探測區(qū)域內(nèi)的無人機(jī)個體集合(不包括無人機(jī)i)；該探測區(qū)域劃分為三個區(qū)域：排斥域一致域吸引域排斥域rⁿ空間的點(diǎn)集一致域吸引域其中，dr為排斥域與一致域的分界距離，do為一致域與吸引域的分界距離，0＜dr＜do＜da，rⁿ表示n維實(shí)數(shù)集，表示無人機(jī)i和無人機(jī)j之間的距離。

鄰域內(nèi)的無人機(jī)j與無人機(jī)i之間的作用力fi^j表示為：

fi^j＝-▽vi^j，-▽vi^j為對vi^j求負(fù)梯度。

其中：fi^j由無人機(jī)i和無人機(jī)j的位置pi、pj和速度vi、vj決定；決定的方法：表示力的作用方向，為單位方向矢量，fi^j為該作用力的大小，由無人機(jī)i和無人機(jī)j的位置pi、pj根據(jù)(7)式求解；vi^j為由無人機(jī)i和無人機(jī)j的位置pi、pj產(chǎn)生的勢場，對vi^j求負(fù)梯度得到fi^j；-▽vi^j為對vi^j求負(fù)梯度；由無人機(jī)i和無人機(jī)j的速度vi、vj產(chǎn)生的作用力為式(5)中等號右側(cè)的第二項(xiàng)；為無人機(jī)i和無人機(jī)j之間的斥力強(qiáng)度控制參數(shù)、為距離調(diào)節(jié)參數(shù)、為無人機(jī)i和無人機(jī)j之間的引力強(qiáng)度控制參數(shù)，為無人機(jī)i和無人機(jī)j之間的速度一致性控制參數(shù)，和可先給定一初值，然后在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時再進(jìn)一步調(diào)節(jié)。個體成員之間的作用力如圖2所示。

1.2.2朝向目標(biāo)的運(yùn)動控制

為控制無人機(jī)集群到達(dá)目標(biāo)區(qū)執(zhí)行任務(wù)，首先將無人機(jī)集群作為一個整體進(jìn)行航跡規(guī)劃，以減少路徑規(guī)劃的復(fù)雜性；其次將無人機(jī)航跡分解成一系列序列位置點(diǎn)track＝{t1,t2,...tm}，隨時間由機(jī)載(或地面控制站的)廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)射端逐個發(fā)送，設(shè)集群內(nèi)部每架無人機(jī)可通過機(jī)載廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)接收端實(shí)時接收廣播式自動相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)射端發(fā)送的航點(diǎn)位置、速度信息，通過航點(diǎn)的更新控制目標(biāo)虛擬體的運(yùn)動位置引導(dǎo)集群到達(dá)期望的作戰(zhàn)區(qū)域。該信息分發(fā)系統(tǒng)可布置于集群內(nèi)部的任意一架無人機(jī)，也可布置在地面控制站，此時可靈活改變航點(diǎn)，提高集群控制的機(jī)動性和靈活性。根據(jù)機(jī)載廣播終端能否正常接收航點(diǎn)信息，可分為以下兩種情況：

(1)所有個體均可獲得航點(diǎn)信息

設(shè)集群內(nèi)部每架無人機(jī)可通過機(jī)載數(shù)據(jù)終端接收航點(diǎn)的實(shí)時位置、速度，個體與航點(diǎn)的位置偏差為為實(shí)現(xiàn)集群朝向目標(biāo)的運(yùn)動，本發(fā)明設(shè)計(jì)了以下作用力函數(shù)：

其中，

fi^g為目標(biāo)g與無人機(jī)i之間的作用力，由無人機(jī)i和目標(biāo)g的位置pi、tk和速度vi、vg決定。決定的方法：表示該作用力的作用方向，為單位方向矢量，fi^g為該作用力的大小，具體由無人機(jī)i和目標(biāo)g的位置根據(jù)(9)式求解，無人機(jī)i和目標(biāo)g之間的距離另由無人機(jī)i和目標(biāo)g的速度差產(chǎn)生的作用力為(8)式中等號右側(cè)的第二項(xiàng)(注：vg的求法：在將無人機(jī)航跡分解成一系列序列位置點(diǎn)track＝{t1,t2,...tm}后，設(shè)每兩個相鄰航跡點(diǎn)tk和tk+1(k＝1...m-1)之間播發(fā)的時間間隔為δt，則目標(biāo)航點(diǎn)在該航跡段的飛行速度vg為)；為無人機(jī)i和目標(biāo)g之間的作用強(qiáng)度調(diào)節(jié)系數(shù)，r^τ為目標(biāo)g與無人機(jī)i之間的作用力形式發(fā)生變化的分界距離；目標(biāo)與個體之間的作用力如圖3所示。

(2)少部分個體可獲得航點(diǎn)信息

強(qiáng)電磁干擾易使無人機(jī)的通信中斷導(dǎo)致其不能獲得目標(biāo)航點(diǎn)信息，此時現(xiàn)有技術(shù)中直接將獲得航點(diǎn)信息的無人機(jī)個體設(shè)為領(lǐng)導(dǎo)者，依靠局部通信領(lǐng)導(dǎo)未獲得航點(diǎn)信息的個體的運(yùn)動，使無人機(jī)成員聚集和形成群聚運(yùn)動。但隨著掌握航點(diǎn)信息個體的比例下降，集群內(nèi)部個體飛行路徑的平滑度大幅度下降，當(dāng)比例下降到到1/3以下時，個體經(jīng)常產(chǎn)生脫離集群的現(xiàn)象，給集群的控制與安全帶來了很大的困難；且強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下無人機(jī)之間的局部通信會受到影響，使未獲得航跡信息的無人機(jī)無法與獲得航跡信息的無人機(jī)之間進(jìn)行正常通信，從而無法得知誰是領(lǐng)導(dǎo)者。對此本發(fā)明提出了基于視覺的鄰域感知與辨識的方法，假設(shè)無人機(jī)個體i不能接收到目標(biāo)航點(diǎn)信息，因此無法與能收到航點(diǎn)信息的個體通信，但能通過機(jī)載視覺傳感系統(tǒng)感知視覺范圍內(nèi)鄰居無人機(jī)個體的位置和速度：

其中表示無人機(jī)j在t時刻和t-τ時刻都在無人機(jī)i的鄰域內(nèi)，τ為個體i前后兩次對鄰域內(nèi)的個體位置進(jìn)行觀察的時間間隔，δj表示τ時間段內(nèi)無人機(jī)j的位置變化量，為無人機(jī)j在t時刻的位置，為無人機(jī)j在t-τ時刻的位置；個體i采用(10)式所述的方法從鄰域中辨識出速度最快的個體g后，把它當(dāng)作領(lǐng)導(dǎo)者進(jìn)行追隨，二者之間通過以下函數(shù)作用：

其中：fi^g為無人機(jī)g與無人機(jī)i之間的作用力，由無人機(jī)i和無人機(jī)g的位置pi、pg和速度vi、vg決定。決定的方法：表示該力的作用方向，為單位方向矢量，fi^g為該作用力的大小，具體由無人機(jī)i和無人機(jī)g的位置根據(jù)(12)式求解，無人機(jī)i和無人機(jī)g之間的距離另由無人機(jī)i和無人機(jī)g的速度差產(chǎn)生的作用力為(11)式中等號右側(cè)的第二項(xiàng)。dr為排斥域與一致域之間的分界距離，dr+r^t為目標(biāo)無人機(jī)個體g與無人機(jī)i之間的引力形式發(fā)生變化的分界距離；為無人機(jī)i和無人機(jī)g之間的斥力強(qiáng)度控制系數(shù)、為距離調(diào)節(jié)參數(shù)、均為無人機(jī)i和無人機(jī)g之間的引力強(qiáng)度控制系數(shù)，為無人機(jī)i和無人機(jī)g之間的速度一致性控制系數(shù)，和可先給定一初值，再在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時進(jìn)一步調(diào)節(jié)。個體與目標(biāo)個體之間的作用力如圖4所示。

1.2.3規(guī)避障礙的運(yùn)動控制

集群沿著預(yù)定航跡飛往目的地的過程中，會遇到一些障礙的威脅。個體為保證自身的飛行安全，需要對障礙物進(jìn)行規(guī)避。根據(jù)威脅事先是否已知可分為已知威脅和和未知威脅。對于已知威脅，可在航跡規(guī)劃階段進(jìn)行初步處理，飛行過程中個體主動進(jìn)行規(guī)避；對于未知威脅，則依賴于機(jī)載傳感器的探測能力、計(jì)算機(jī)信息處理速度和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作時間。本發(fā)明針對未知威脅，為了與實(shí)際情況相符，設(shè)無人機(jī)個體i的探測距離為γ^β，機(jī)載信息處理和執(zhí)行響應(yīng)的時間和為τ'＝0.25s，個體自探測到障礙的時刻起的τ'秒后進(jìn)行規(guī)避(探測即規(guī)避)，則二者之間通過以下作用力函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)：

其中，

其中，fi^o為障礙o與無人機(jī)i之間的作用力，由無人機(jī)i和障礙o的位置pi、po和速度vi、vo決定，決定的方法：表示該作用力的作用方向，為單位方向矢量，fi^o為該作用力的大小，由無人機(jī)i和障礙o的位置根據(jù)(14)式求解，無人機(jī)i和障礙o之間的距離另由無人機(jī)i和障礙o的速度差產(chǎn)生的作用力為(13)式中等號右側(cè)的第二項(xiàng)；γ^β為無人機(jī)i和障礙物o之間的警戒距離，為距離調(diào)節(jié)參數(shù)，為無人機(jī)i和障礙o之間的斥力強(qiáng)度調(diào)節(jié)系數(shù)，為無人機(jī)i和障礙o之間的速度一致性控制系數(shù)，和γ^β可先給定一初值，再在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時進(jìn)一步調(diào)節(jié)。個體與障礙之間的作用力如圖5所示。

2、穩(wěn)定性分析

對集群而言，如果集群內(nèi)部個體與鄰居之間的距離保持不變則說明其具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性。為簡化穩(wěn)定性分析過程，本文首先考慮集群內(nèi)部只有兩架無人機(jī)i和j的情況，它們在彼此的探測距離之內(nèi)。根據(jù)(1)式，設(shè)和分別為無人機(jī)i和j的相對位置和相對速度(系統(tǒng)的兩個狀態(tài)變量)，將兩機(jī)視為一個系統(tǒng)，即穩(wěn)定性與fi^j有關(guān)。

設(shè)李雅普諾夫函數(shù)：

則

兩機(jī)速度逐漸趨于一致，即二機(jī)之間的距離也趨于一定值，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)！

接下來考慮集群內(nèi)部有3架無人機(jī)，編號分別為1、2、3，且各自在彼此的探測距離內(nèi)。以個體2為例進(jìn)行穩(wěn)定性分析，其鄰居為1和3，按上述方法設(shè)則：

設(shè)李雅普諾夫函數(shù)：

結(jié)論同上，以此類推，設(shè)集群內(nèi)部有n架無人機(jī)，無人機(jī)i有m個鄰居，用表示其集合，為簡化證明過程，對m個鄰居另用編號l＝1、2...m表示。

令則

設(shè)李雅普諾夫函數(shù)：則:

根據(jù)李雅普諾夫穩(wěn)定性判別方法，判別系統(tǒng)穩(wěn)定！

3、仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為方便進(jìn)行結(jié)果分析，下面對三維空間的無人機(jī)集群飛行與障礙規(guī)避進(jìn)行仿真驗(yàn)證。按個體能否接收航點(diǎn)信息，仿真實(shí)驗(yàn)主要從以下幾方面展開：

情形一：無人機(jī)集群內(nèi)部個體均能獲得實(shí)時航跡信息，且飛行空間無障礙

設(shè)集群內(nèi)部無人機(jī)個體數(shù)為6，個體均能通過廣播終端接收實(shí)時航跡信息(α＝1)。根據(jù)(4)式，該情況下無人機(jī)個體的運(yùn)動控制加速度函數(shù)ai＝γ1·fi^g+γ2·fi^o+γ3·fi^j且fi^o＝0。無人機(jī)成員的初始速度為0，初始位置隨機(jī)，在接收到航點(diǎn)信息后開始朝向它飛行，機(jī)載傳感器探測距離為60m，最大速度為40m/s，最大加速度為0.5m/s²，機(jī)身長2m，γ1＝1，γ2＝3，γ3＝0.5，r^τ＝20m，dr＝20m，do＝30m，da＝60m。在上述參數(shù)決定的控制輸入作用下個體最終向航跡運(yùn)動方向聚集和沿目標(biāo)航跡飛行，航跡如圖6所示，各機(jī)之間的距離如圖7所示。若用表示集群的中心，e(t)＝tk-pgroup表示集群中心與當(dāng)前航點(diǎn)tk之間的距離偏差，其變化過程如圖8所示。

圖6表明各架無人機(jī)能在所述控制方法下從任意初始狀態(tài)向規(guī)劃的航跡方向運(yùn)動、逐漸靠近、聚集和形成一個整體的運(yùn)動；圖7更清晰顯示了各個時刻任意兩機(jī)間的距離，其曲線走向表明該距離在初始時刻最大，后來逐漸收斂至一穩(wěn)定值，且任意兩機(jī)間的最小距離為7.8米(大于機(jī)身長度2米)，保證了無碰撞的發(fā)生；圖9顯示隨著時間的推移偏差逐漸收斂，集群中心基本能夠壓航跡飛行。

情形二：集群內(nèi)無人機(jī)個體均能獲得實(shí)時航跡信息，飛行空間有未知障礙

無人機(jī)集群內(nèi)部個體在沿航跡飛行過程中，當(dāng)飛至障礙附近時其機(jī)載傳感器檢測到該障礙物的位置、速度信息，仍可采用情形一的控制方法，但此時fi^o≠0，令γ^β＝25m，障礙物一的空間位置為(48，72，50)(m)，障礙物二的空間位置為(78，50，50)(m)，其它參數(shù)同情形一。三維空間的仿真效果如圖9所示，各機(jī)之間的距離如圖10所示。

圖9中的球體即為障礙所在的區(qū)域，從無人機(jī)航跡線可明顯看到無人機(jī)在接近障礙物時發(fā)生明顯背離障礙的側(cè)向彎曲，即為檢測到障礙和產(chǎn)生的規(guī)避行為；圖10中的2個最低谷即為集群規(guī)避障礙物一和障礙物二的時間段(見橢圓虛線標(biāo)注部分)，各機(jī)始終與障礙物保持10米以上的距離。同樣采用情形一的數(shù)據(jù)分析方法得各機(jī)間的最近距離為4.3m，仍大于機(jī)身長度值2m，能避免與障礙的碰撞。

情形三：集群內(nèi)部少數(shù)個體可獲得實(shí)時航點(diǎn)信息，飛行空間無障礙

該情況下，已收到航點(diǎn)信息的個體繼續(xù)按照情形一的方法進(jìn)行控制，未收到航點(diǎn)信息的個體采用鄰域辨識的方法選擇鄰居無人機(jī)個體g作為領(lǐng)導(dǎo)者進(jìn)行追隨，其控制輸入為ai＝γ2·fi^o+γ3·fi^j+γ1·fi^g，dr＝20，r^τ＝20，τ＝1，其余參數(shù)設(shè)置同前，其效果如圖11所示。

從圖11看出，集群內(nèi)部有6架無人機(jī)，只有1架能夠接收航跡信息(標(biāo)號為32的曲線，占群體數(shù)的1/6)，初始條件下另外5架無人機(jī)中每一架無人機(jī)的探測區(qū)域內(nèi)至少存在其它1架無人機(jī)且均能通過該方法關(guān)聯(lián)到能接收航跡信息的1架無人機(jī)上，，采用鄰域跟隨與辨識的方法為未接收到航跡信息的個體選擇領(lǐng)導(dǎo)者，個體能在群聚作用、領(lǐng)導(dǎo)者的引導(dǎo)和目標(biāo)牽引下下從任意初始狀態(tài)聚集靠攏和形成整體運(yùn)動。