本發(fā)明涉及無人機(jī)飛行編隊控制領(lǐng)域，具體為一種基于非合作博弈的分布式無人機(jī)編隊協(xié)同控制方法。

背景技術(shù)：

1、多無人機(jī)協(xié)同作業(yè)是無人機(jī)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，多無人機(jī)群憑借其規(guī)模優(yōu)勢具有更加強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集分析能力，更夠勝任更加復(fù)雜多變的任務(wù)，其中無人機(jī)編隊更是多無人機(jī)協(xié)同的重要課題，目前無人機(jī)編隊技術(shù)在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力，包括飛行表演、快遞物流、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、城市交通監(jiān)控、軍事偵察與作戰(zhàn)、災(zāi)害救援、環(huán)境監(jiān)測、搜索與救援、科學(xué)數(shù)據(jù)收集等多種應(yīng)用場景，而目前多無人機(jī)控制包括集中式控制與分布式控制，集中式控制目前應(yīng)用較多集中式無人機(jī)飛行編隊控制技術(shù)通常依賴一個強(qiáng)力的中心節(jié)點(diǎn)以及高精度的定位系統(tǒng)，普遍使用高性能的計算設(shè)備并結(jié)合時動態(tài)定位(rtk)地面站以及通信設(shè)施對無人機(jī)群進(jìn)行協(xié)同控制，其優(yōu)勢在于控制方法簡單便于統(tǒng)一指揮與管理，且易于做到精準(zhǔn)控制，但由于高度依賴中心節(jié)點(diǎn)，一旦中心節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或遭受攻擊，整個系統(tǒng)可能會面臨運(yùn)行中斷和安全風(fēng)險，且通信資源緊張難以進(jìn)行擴(kuò)展，將博弈控制引入至分布式優(yōu)化中，可以幫助優(yōu)化決策過程，根據(jù)自身以及其他參與者信息制定更加有效的策略，在資源有限的情況下進(jìn)行合理的資源調(diào)度分配，以解決復(fù)雜的優(yōu)化控制問題。為此本發(fā)明提出了一種基于非合作博弈的分布式無人機(jī)編隊協(xié)同控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于非合作博弈的分布式無人機(jī)編隊協(xié)同控制方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，一種基于非合作博弈的分布式無人機(jī)編隊協(xié)同控制方法，包括如下步驟：

3、步驟s1，基于運(yùn)動學(xué)分析建立四旋翼無人機(jī)運(yùn)動學(xué)模型；

4、步驟s2，利用領(lǐng)導(dǎo)-跟隨者模型構(gòu)建虛擬領(lǐng)導(dǎo)者領(lǐng)導(dǎo)的無人機(jī)群，定義各無人機(jī)與虛擬領(lǐng)航者的期望相對位置誤差；

5、步驟s3，基于編隊任務(wù)的要求，設(shè)計無人機(jī)群編隊任務(wù)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；

6、步驟s4，基于設(shè)計的聚合項，將無人機(jī)個體的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為基于局部信息的優(yōu)化問題；

7、步驟s5，設(shè)計基于博弈的分布式無人機(jī)編隊算法，控制無人機(jī)群達(dá)成目標(biāo)編隊。

8、優(yōu)選的：所述步驟s1具體過程如下，根據(jù)動力學(xué)分析建立四旋翼無人機(jī)模型如下，

9、

10、每架無人機(jī)i∈{1,2,...,n}的位置由地球坐標(biāo)系中的矢量qi＝(xi,yi,zi)t給出，其中xi,yi,zi分別代表其在三個坐標(biāo)軸上的分量，無人機(jī)的質(zhì)量為mi，升力(控制輸入)為ui，g為重力加速度，θ、ψ分別表示俯仰角、橫滾角、偏航角，將上式改寫成為矩陣的緊湊形式：

11、

12、其中mi(qi)＝mii3，gi(qi)＝(0,0,mig)t，fi＝r(0,0,ui)，

13、

14、其中c(·)表示cos(·)，s(·)表示sin(·)。

15、優(yōu)選的：所述步驟s2具體過程如下，集群中每架無人機(jī)的位置向量表示為qi＝(xi,yi,zi)t，速度向量表示為虛擬領(lǐng)航者的位置向量表示為q0＝(x0,y0,z0)t，速度向量表示為將無人機(jī)群的向量表示為全局形式，整個無人機(jī)群的群體位置向量為群體速度向量為定義無人機(jī)i與虛擬領(lǐng)航者之間的期望位置誤差為qi-q0＝δi，達(dá)成編隊時滿足：

16、

17、優(yōu)選的：所述步驟s3具體過程如下，為每一架無人機(jī)設(shè)計如下目標(biāo)函數(shù)

18、

19、每架無人機(jī)都會最小化自身的目標(biāo)函數(shù)，當(dāng)達(dá)博弈的解即納什均衡時，每架無人機(jī)狀態(tài)的變化都會導(dǎo)致其它參與者目標(biāo)函數(shù)的增大，且該代價函數(shù)的設(shè)計滿足當(dāng)無人機(jī)群體達(dá)成納什均衡時，無人機(jī)群同時滿足達(dá)成編隊的條件，形成目標(biāo)編隊。

20、優(yōu)選的：所述步驟s4具體過程如下，設(shè)計聚合項將需要獲取的全局信息轉(zhuǎn)換成對聚合項σ(q)的估計，目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

21、ji(qi,q-i)＝j(luò)i(qi,σ(q))；

22、目標(biāo)函數(shù)次梯度轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

23、

24、優(yōu)選的：所述步驟s5考慮設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)，求解該博弈問題的納什納什均衡解，根據(jù)梯度下降策略設(shè)計分布式控制算法

25、

26、所述算法包含以下五個主要部分，qi代表無人機(jī)i的決策狀態(tài)，si是無人機(jī)對目標(biāo)函數(shù)中聚合項的估計值，ri是無人機(jī)對估計聚合項的輔助變量，gi是無人機(jī)尋找納什均衡解的梯度近似值。

27、本發(fā)明相較于現(xiàn)有技術(shù)，其有益效果為：

28、1.本發(fā)明的算法基于非合作博弈理論，能夠做到完全分布式控制，不依賴某個中心節(jié)點(diǎn)，每個無人機(jī)獨(dú)立地運(yùn)行算法達(dá)成編隊共識，相較于集中式控制，分布式控制可以以更低的成本對無人機(jī)群進(jìn)行協(xié)同控制。

29、2.集群中各無人機(jī)只需與有限的無人機(jī)之間進(jìn)行信息交流，極大地緩解了通信資源緊張的情況。

30、3.而且通信信息為聚合信息不包括直接的速度與位置信息，保證了無人機(jī)數(shù)據(jù)的隱私性。

技術(shù)特征：

1.一種基于非合作博弈的分布式無人機(jī)編隊協(xié)同控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非合作博弈的分布式無人機(jī)編隊協(xié)同控制方法，其特征在于：所述步驟s1具體過程如下，根據(jù)動力學(xué)分析建立四旋翼無人機(jī)模型如下，

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非合作博弈的分布式無人機(jī)編隊協(xié)同控制方法，其特征在于：所述步驟s2具體過程如下，集群中每架無人機(jī)的位置向量表示為qi＝(xi,yi,zi)t，速度向量表示為虛擬領(lǐng)航者的位置向量表示為q0＝(x0,y0,z0)t，速度向量表示為將無人機(jī)群的向量表示為全局形式，整個無人機(jī)群的群體位置向量為群體速度向量為定義無人機(jī)i與虛擬領(lǐng)航者之間的期望位置誤差為qi-q0＝δi，達(dá)成編隊時滿足：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非合作博弈的分布式無人機(jī)編隊協(xié)同控制方法，其特征在于：所述步驟s3具體過程如下，為每一架無人機(jī)設(shè)計如下目標(biāo)函數(shù)

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非合作博弈的分布式無人機(jī)編隊協(xié)同控制方法，其特征在于：所述步驟s4具體過程如下，設(shè)計聚合項將需要獲取的全局信息轉(zhuǎn)換成對聚合項σ(q)的估計，目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于非合作博弈的分布式無人機(jī)編隊協(xié)同控制方法，其特征在于：所述步驟s5考慮設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)，求解該博弈問題的納什納什均衡解，根據(jù)梯度下降策略設(shè)計分布式控制算法

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及無人機(jī)飛行編隊控制領(lǐng)域，一種基于非合作博弈的分布式無人機(jī)編隊協(xié)同控制方法，包括如下步驟，步驟S1，基于運(yùn)動學(xué)分析建立四旋翼無人機(jī)運(yùn)動學(xué)模型；步驟S2，利用領(lǐng)導(dǎo)?跟隨者模型構(gòu)建虛擬領(lǐng)導(dǎo)者領(lǐng)導(dǎo)的無人機(jī)群，定義各無人機(jī)與虛擬領(lǐng)航者的期望相對位置誤差；步驟S3，基于編隊任務(wù)的要求，設(shè)計無人機(jī)群編隊任務(wù)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；步驟S4，基于設(shè)計的聚合項，將無人機(jī)個體的目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)換為基于局部信息的優(yōu)化問題；步驟S5，設(shè)計基于博弈的分布式無人機(jī)編隊算法，控制無人機(jī)群達(dá)成目標(biāo)編隊，本發(fā)明的算法極大地緩解了通信資源緊張的情況，保證無人機(jī)數(shù)據(jù)的隱私性，相較于集中式控制，分布式控制可以以更低的成本對無人機(jī)群進(jìn)行協(xié)同控制。

技術(shù)研發(fā)人員：榮子然,劉陽,王曉麗,謝瑋
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14