本發(fā)明涉及多無人機編隊飛行控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于隊形庫的多無人機隊形編隊方法。

背景技術(shù)：

多無人機協(xié)同編隊能極大拓展無人機的性能和應(yīng)用領(lǐng)域，在協(xié)同偵查、災(zāi)害搜救、環(huán)境監(jiān)測、飛行表演等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力；而從技術(shù)本身的發(fā)展來看，多無人機協(xié)同編隊代表著無人機的自主能力達到了5級以上，具備了較高的智能化水平。編隊隊形直接影響到飛行任務(wù)的完成效果，例如在軍用領(lǐng)域，橫形編隊有利于擴大偵查搜索范圍，縱形編隊則有利于減小雷達反射面積；而在飛行表演領(lǐng)域，大規(guī)模無人機群需要完成多種復雜編隊隊形的生成、保持和變換。因此，編隊隊形設(shè)計是多機協(xié)同編隊飛行的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

然而當前針對多無人機協(xié)同編隊的研究大多集中于其協(xié)同架構(gòu)的研究，卻幾乎沒有涉及編隊隊形快速設(shè)計的工具化研究。近些年，采用小型無人機的大規(guī)模編隊演示飛行已見諸報端，如2015年8月美國海軍研究生院采用50架固定翼無人機實現(xiàn)的協(xié)同編隊飛行，2016年8月甄迪無人機公司采用60架四旋翼無人機實現(xiàn)的編隊飛行表演。然而，大多數(shù)現(xiàn)有研究的編隊隊形是為了飛行任務(wù)而“定制化”設(shè)計的，為了實現(xiàn)完整的隊形，設(shè)計人員需要預先計算出每一個節(jié)點的相對位置坐標，同時這種計算并不能被復用，一旦變換到新的隊形后，需要重新計算所有節(jié)點新的相對位置坐標。因此，現(xiàn)有技術(shù)中缺乏一種靈活的、工具化的隊形設(shè)計方法，來實現(xiàn)任意編隊隊形的快速、可視化、動態(tài)設(shè)計和復雜隊形的基本元素拆分與重組。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，即為了實現(xiàn)任意編隊隊形的快速、可視化、動態(tài)設(shè)計和復雜隊形的基本元素拆分與重組?；诖?，本發(fā)明提供了基于隊形庫的多無人機隊形編隊方法，應(yīng)用于包含一架長機和多個僚機的多架無人機中，包括以下步驟：

步驟1，根據(jù)編隊任務(wù)中的編隊隊形請求，在預設(shè)隊形庫中選取基本隊形，利用所述基本隊形構(gòu)建所述編隊隊形；所述編隊隊形中包含一個長機隊形節(jié)點、多個僚機隊形節(jié)點以及一個隊形入口位置，所述隊形入口位置為所述長機節(jié)點實時跟隨的空間位置；

步驟2，建立所述編隊隊形中各隊形節(jié)點與無人機間的對應(yīng)指派關(guān)系；

步驟3，根據(jù)所述編隊任務(wù)中所攜帶的任務(wù)隊形入口位置以及所述對應(yīng)指派關(guān)系確定每一架無人機的絕對位置期望值，按照所述編隊隊形編隊排列。

優(yōu)選地，所述預設(shè)隊形庫中每一基本隊形中各隊形節(jié)點的空間三維絕對位置期望值的計算關(guān)系式為：

v＝f(γ)

其中，v為隊形節(jié)點的空間三維絕對位置期望，γ＝{s,n,m,θ,p,c}為隊形參數(shù)，s為基本隊形名，n為隊形節(jié)點數(shù)量，m為長機隊形節(jié)點序列號，θ為表征了隊形的形狀、大小和方向的隊形特征參數(shù)，p為隊形入口位置，c為隊形調(diào)整控制位，f為隊形向量計算函數(shù)。

優(yōu)選地，所有隊形節(jié)點的空間三維絕對位置期望構(gòu)成空間三維絕對位置期望向量組，其表達式為：

v＝[v1,v2,...vi,...vn]

其中，v為空間三維絕對位置期望向量組，vi＝[xi,yi,zi]^t表示第i個隊形節(jié)點的空間三維絕對位置期望值，i＝1,…,n。

優(yōu)選地，在計算第i個隊形節(jié)點的空間三維絕對位置期望值時，包括如下步驟：

步驟1)，建立參考坐標系o1，根據(jù)s、n、θ計算第i個隊形節(jié)點在o1中相對位置向量v1i，i＝1,…,n，v1i是隊形節(jié)點序列號的函數(shù)；

步驟2)，根據(jù)m確定長機隊形節(jié)點在o1中的相對位置向量v1m，將o1原點平移到長機隊形節(jié)點處，建立新的坐標系o2，通過坐標平移計算該第i個隊形節(jié)點在o2中的相對位置向量v2i，計算公式為：

v2i＝v1i-v1m

步驟3)，根據(jù)p，計算得到該第i個隊形節(jié)點的空間三維絕對位置期望值vi，計算公式為：

vi＝t·v2i+p

其中，t為o1相對于地面絕對位置坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣。

優(yōu)選地，當改變m時，重復步驟2)～3)，實現(xiàn)長機切換。

優(yōu)選地，所述編隊隊形包括基本隊形和組合隊形。

優(yōu)選地，所述隊形庫中每一基本隊形中只有一個隊形入口位置。

優(yōu)選地，所述隊形庫中每一基本隊形中只有一個長機隊形節(jié)點。

優(yōu)選地，利用預設(shè)隊形庫構(gòu)建編隊隊形時，包括：

交互式的圖形化界面設(shè)計構(gòu)建方法，為采用人機交互方式設(shè)置隊形參數(shù)γ，在無人機于地面時離線設(shè)計構(gòu)建編隊隊形；或

所述參數(shù)化動態(tài)設(shè)計構(gòu)建方法，為采用程序參數(shù)化調(diào)用方式設(shè)置隊形參數(shù)γ，在無人機飛行過程中動態(tài)設(shè)計構(gòu)建編隊隊形。

優(yōu)選地，在建立所述編隊隊形中各隊形節(jié)點與無人機間的對應(yīng)指派關(guān)系時，參與到所述編隊任務(wù)中的無人機數(shù)量不少于所述編隊隊形的隊形節(jié)點數(shù)，其實現(xiàn)方式包括如下兩種：

直接指派；或

優(yōu)化指派，根據(jù)所有無人機當前位置和編隊隊形位置，根據(jù)所述編隊任務(wù)在編隊隊形建立或調(diào)整中引入優(yōu)化指標和約束條件，采用優(yōu)化算法建立無人機與隊形節(jié)點間的對應(yīng)關(guān)系。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點：

通過本發(fā)明中的多架無人機隊形編隊設(shè)計，不僅實現(xiàn)了隊形的任意組合，同時通過隊形的設(shè)計構(gòu)成方式實現(xiàn)了隊形的快速、可視化、動態(tài)設(shè)計和復雜隊形的基本元素拆分與重組。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的多架無人機隊形編隊設(shè)計的整體流程架構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明提供的空間三維絕對位置向量計算坐標變換關(guān)系示意圖；

圖3是本發(fā)明提供的多架無人機隊形編隊中基本隊形參數(shù)含義示意圖；

圖4是本發(fā)明提供的隊形節(jié)點與無人機間的指派關(guān)系示意圖。

具體實施方式

下面參照附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解的是，這些實施方式僅僅用于解釋本發(fā)明的技術(shù)原理，并非旨在限制本發(fā)明的保護范圍。

在本發(fā)明中，提供了一種基于隊形庫的多無人機隊形編隊方法，應(yīng)用于包含一架長機和多個僚機的多架無人機中，如圖1所示，包括兩個階段，庫設(shè)計階段和隊形實現(xiàn)階段，其中，庫設(shè)計階段包括步驟s1，隊形實現(xiàn)階段包括步驟s2～s4，具體的：

s1，構(gòu)建隊形庫；

根據(jù)常用的飛行隊形構(gòu)建具有統(tǒng)一模板的、參數(shù)化表達的基本隊形，所有隊形組成隊形庫。

其中，隊形庫中每一隊形包括一個隊形入口位置、以及由一個長機隊形節(jié)點和多個僚機隊形節(jié)點構(gòu)成的多個隊形節(jié)點。

所述預設(shè)隊形庫中每一基本隊形中各隊形節(jié)點的空間三維絕對位置期望值的計算關(guān)系式為：

v＝f(γ)

其中，v為隊形節(jié)點的空間三維絕對位置期望，γ＝{s,n,m,θ,p,c}為隊形參數(shù)；

s為基本隊形名，包括但不限于“直線隊形”、“v字隊形”、“弧形隊形”、“正多邊形隊形”、“矩陣隊形”；

n為隊形節(jié)點數(shù)量，表示隊形中包含的隊形節(jié)點總數(shù)；

m為長機隊形節(jié)點序列號，每一種隊形都擁有各自預設(shè)的隊形節(jié)點排序，序列號為1到n間的某一自然數(shù)；

θ為隊形特征參數(shù)，每一種隊形都擁有各自的隊形特征參數(shù)，隊形特征參數(shù)決定了隊形的最終形狀、大小、方向；

p為隊形入口位置，這是一個空間三維絕對位置向量，代表長機所要實時跟隨的空間三維絕對位置期望值；

c為隊形調(diào)整控制位，用于決定當編隊飛行中某一架無人機出現(xiàn)故障或離隊后剩余無人機的隊形調(diào)整動作，所選的調(diào)整動作包括：維持原隊形不變，即所有無人機維持原來的相對位置關(guān)系；或，隊形收縮補充，即相鄰無人機收縮補充故障或離隊無人機的位置，其他無人機做相應(yīng)的收縮補充；

f為隊形向量計算函數(shù)，根據(jù)隊形參數(shù)γ計算出n個隊形節(jié)點的空間三維絕對位置期望向量組v；隊形向量計算函數(shù)f根據(jù)基本隊形名s來選擇所要調(diào)用的隊形庫中的基本隊形，選中的基本隊形進一步調(diào)用自身的隊形向量計算式來計算出空間三維絕對位置期望向量組v。

該空間三維絕對位置期望向量組v由所有隊形節(jié)點的空間三維絕對位置期望構(gòu)成，其表達式為：

v＝[v1,v2,...vi,...vn]

其中，v為空間三維絕對位置期望向量組，vi＝[xi,yi,zi]^t表示第i個隊形節(jié)點的空間三維絕對位置期望值，i＝1,…,n。

具體的，如圖2所示，在計算第i個隊形節(jié)點的空間三維絕對位置期望值時，包括如下步驟：

步驟1)，建立參考坐標系o1，根據(jù)s、n、θ計算第i個隊形節(jié)點在o1中相對位置向量v1i，i＝1,…,n，v1i是隊形節(jié)點序列號的函數(shù)；

步驟2)，根據(jù)m確定長機隊形節(jié)點在o1中的相對位置向量v1m，將o1原點平移到長機隊形節(jié)點處，建立新的坐標系o2，通過坐標平移計算該第i個隊形節(jié)點在o2中的相對位置向量v2i，計算公式為：

v2i＝v1i-v1m

步驟3)，根據(jù)p，計算得到該第i個隊形節(jié)點的空間三維絕對位置期望值vi，計算公式為：

vi＝t·v2i+p

其中，t為o1相對于地面絕對位置坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣。

當改變m時，重復步驟2～3，實現(xiàn)長機的便捷切換。

s2，設(shè)計隊形；

根據(jù)編隊任務(wù)，不同的編隊任務(wù)中攜帶有不同的編隊隊形請求，根據(jù)當前編隊隊形在隊形庫中選擇特定的基本隊形，設(shè)置隊形參數(shù)，形成參數(shù)實例化的隊形；由至少一個基本隊形構(gòu)建該編隊隊形；所述編隊隊形中包含一個長機隊形節(jié)點、多個僚機隊形節(jié)點以及一個隊形入口位置，所述隊形入口位置為所述長機節(jié)點實時跟隨的空間位置。其中，該編隊隊形可以為一個基本隊形或由多個基本隊形組合而成的組合隊形。

利用預設(shè)隊形庫構(gòu)建編隊隊形時，包括：

交互式的圖形化界面設(shè)計構(gòu)建方法，為采用人機交互方式設(shè)置隊形參數(shù)γ，在無人機于地面時離線設(shè)計構(gòu)建編隊隊形；或

所述參數(shù)化動態(tài)設(shè)計構(gòu)建方法，為采用程序參數(shù)化調(diào)用方式設(shè)置隊形參數(shù)γ，在無人機飛行過程中動態(tài)設(shè)計構(gòu)建編隊隊形。

在設(shè)計隊形時，包括如下步驟：

s21：從隊形庫中選擇特定的基本隊形，此時自動設(shè)置了基本隊形名參數(shù)s；

s22：設(shè)置其他基本隊形參數(shù)，包括隊形節(jié)點數(shù)n，長機所處隊形節(jié)點的序列號m，隊形特征參數(shù)θ，隊形入口位置p，隊形調(diào)整控制位c；

s23：若要設(shè)計組合隊形，則繼續(xù)從隊形庫中選擇多個基本隊形，并按照隊形要求設(shè)置各個基本隊形的參數(shù)。在進行隊形組合時，后一個基本隊形的隊形入口位置p需與前一個基本隊形的位置相關(guān)聯(lián)，由此，任意組合隊形有且僅有一架長機，同時有且僅有一個隊形入口位置p作為長機所要實時跟隨的空間位置。

在設(shè)計隊形時，首先選定某個參考位置建立一個參考坐標系o1，優(yōu)選的，設(shè)置o1的坐標方向為長機氣流坐標系的方向，記該坐標系為o1-xayaza，然后在o1-xaya平面內(nèi)設(shè)計隊形形狀和尺寸，由此形成基本形狀，進一步將該基本圖形進行三維旋轉(zhuǎn)，優(yōu)選的，旋轉(zhuǎn)順序為：先繞o1za軸旋轉(zhuǎn)φ角，再繞新的o1y′a軸旋轉(zhuǎn)α角，再繞新的o1x″a軸旋轉(zhuǎn)ψ角，這樣可將基本圖形演變?yōu)槿S空間內(nèi)任意朝向的圖形。

在此坐標系定義及坐標系旋轉(zhuǎn)定義基礎(chǔ)下，結(jié)合圖3給出的“直線隊形”、“v字隊形”、“正多邊形隊形”、“矩形隊形”四種示例隊形的基本形狀，進一步說明部分隊形參數(shù)的含義。

(1)直線隊形

如圖3(a)所示為直線隊形，包含n個隊形節(jié)點，記作qi，i＝1,…,n，其空間三維絕對位置記作vi。若選擇q1為長機節(jié)點，則m＝1，選擇其他節(jié)點作為長機則依此類推。基本直線形狀可選擇任意初始方向，隊形特征參數(shù)θ為θ＝{l,φ,α,ψ}，其中l(wèi)為相鄰兩節(jié)點間的距離，即向量vk+1-vk的模長，這里k＝1,…,n-1；φ,α,ψ為基本直線隊形的三個旋轉(zhuǎn)角。

(2)v字隊形

如圖3(b)所示為v字隊形，包含n個隊形節(jié)點，記作qi，i＝1,…,n，其空間三維絕對位置記作vi。若選擇為長機節(jié)點，則m＝n1，選擇其他節(jié)點作為長機則依此類推?；緑字形狀的設(shè)計為，將v字兩側(cè)翼夾角γ的平分線與o1xa軸相平行，沿o1ya軸依次從小到大標示節(jié)點序號。隊形特征參數(shù)θ為θ＝{n1,l,γ,φ,α,ψ}，其中n1為v字隊形兩側(cè)翼交叉點的節(jié)點序號，l為相鄰兩節(jié)點間的距離，即向量vk+1-vk的模長，這里k＝1,…,n-1；γ為v字隊形的側(cè)翼展角，規(guī)定圖示方向為正，則γ∈(0,180°)，0＜γ＜90°表示正v字隊形，90°＜γ＜180°表示倒v字隊形，γ＝90°時退化為直線隊形；φ,α,ψ為基本v字隊形的三個旋轉(zhuǎn)角。

(3)正多邊形隊形

如圖3(c)所示為正多邊形隊形，包含n個隊形節(jié)點，記作qi，i＝1,…,n，其空間三維絕對位置記作vi。若選擇q1為長機節(jié)點，則m＝1，選擇其他節(jié)點作為長機則依此類推?；菊噙呅蔚墓?jié)點排列為，以o1xa軸方向的外接圓半徑外端點作為q1節(jié)點，按圖示角度方向為正方向依次旋轉(zhuǎn)，其他節(jié)點等間距地分布在外接圓上，顯然相鄰兩節(jié)點與圓心所成夾角為γ＝360°/n。隊形特征參數(shù)θ為θ＝{r,φ,α,ψ}，其中r為正多邊形所在外接圓的半徑，φ,α,ψ為基本正多邊形隊形的三個旋轉(zhuǎn)角。

(4)矩形隊形

如圖3(d)所示為矩形隊形，包含n個隊形節(jié)點，記作qi，i＝1,…,n，其空間三維絕對位置記作vi。若選擇q1為長機節(jié)點，則m＝1，選擇其他節(jié)點作為長機則依此類推?；揪匦蔚年犘卧O(shè)計為，使矩形相鄰兩邊與o1xaya兩軸平行，左上角頂點設(shè)為q1，按行排列，直到排滿n個節(jié)點為止。隊形特征參數(shù)θ為θ＝{n1,l1,l2,φ,α,ψ}，其中n1為每行節(jié)點數(shù)，l1、l2為相鄰行、列節(jié)點間的距離，φ,α,ψ為基本矩形隊形的三個旋轉(zhuǎn)角。

s3，建立指派關(guān)系；

建立所設(shè)計編隊隊形中各隊形節(jié)點和參與到編隊任務(wù)中的無人機之間對應(yīng)的指派關(guān)系，形成隊形節(jié)點與無人機之間的一一對應(yīng)。其中，參與到所述編隊任務(wù)中的無人機數(shù)量不少于所述編隊隊形的隊形節(jié)點數(shù)。

如圖4所示的具體實施例中，編隊隊形為包含6個隊形節(jié)點的正多邊形隊形，隊形節(jié)點序號為q1～q6；參與編隊任務(wù)的無人機編號為p1～p6。

采用下述兩種方法中的任意一種方法來建立所設(shè)計編隊隊形的隊形節(jié)點和實際無人機之間的一一對應(yīng)關(guān)系，各無人機與隊形節(jié)點間對應(yīng)指派關(guān)系的確定，包括如下兩種方式：

直接指派，直接手動顯式建立無人機隊形節(jié)點與無人機間的對應(yīng)關(guān)系；或

優(yōu)化指派，根據(jù)所有無人機當前位置和編隊隊形位置，根據(jù)所述編隊任務(wù)在編隊隊形建立或調(diào)整中引入優(yōu)化指標和約束條件，采用優(yōu)化算法建立無人機與隊形節(jié)點間的對應(yīng)關(guān)系。

圖4所示為采用直接指派的方式建立的對應(yīng)關(guān)系，其對應(yīng)關(guān)系為：

需要說明的是，無論是采取直接指派還是優(yōu)化指派方法，都存在多種可能的對應(yīng)關(guān)系，具體采用哪種方式取決于所要完成的任務(wù)、所選擇的優(yōu)化算法、無人機的初始位置和期望組合隊形的集結(jié)位置。

s4，實現(xiàn)編隊飛行；

根據(jù)步驟s2中參數(shù)實例化的組合隊形和s3中建立的隊形節(jié)點與無人機之間的一一對應(yīng)關(guān)系，實時給定任務(wù)隊形入口位置，計算得到每一架無人機的絕對位置期望值，作為每一架無人機航點控制器的期望指令，從而控制無人機群實現(xiàn)按編隊隊形的編隊飛行。

采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果有：(1)基于標準化、模塊化的“庫”設(shè)計思想，所設(shè)計的隊形庫包括多個常用的基本隊形，通過設(shè)置不同的隊形參數(shù)，可變換出更多的常用隊形，提高了隊形設(shè)計的重用性；(2)基本隊形可組合成復雜的組合隊形，從而理論上可實現(xiàn)任意的隊形設(shè)計；(3)采用圖形化的交互式設(shè)計和參數(shù)化的動態(tài)設(shè)計兩種設(shè)計方式，不僅提高了隊形設(shè)計的效率，還提供了統(tǒng)一的隊形接口，供上層推理決策系統(tǒng)進行調(diào)用。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖所示的優(yōu)選實施方式描述了本發(fā)明的技術(shù)方案，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是，本發(fā)明的保護范圍顯然不局限于這些具體實施方式。在不偏離本發(fā)明的原理的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對相關(guān)技術(shù)特征作出等同的更改或替換，這些更改或替換之后的技術(shù)方案都將落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。