固定翼无人机集群的编队控制方法、装置、介质及产品

本发明涉及无人机群控制，特别是涉及一种固定翼无人机集群的编队控制方法、装置、介质及产品。

背景技术：

1、固定翼无人机本身有续航时间长、飞行速度快和载重大等特性，因此在军用和民用领域中都有着极高的应用价值。相比于四旋翼无人机，固定翼无人机由于其飞行速度快、攻击范围广、飞行环境复杂、侦察能力强等一系列特性，使得其成为一种兼具目标精确打击和远距离侦察飞行的现代化战略武器。结合编队集群控制，便可极大的提高固定翼无人机在未来战场上的灵活性和实用性，使得固定翼无人机集群控制成为极具战略意义的武器之一。

2、目前，在对无人机集群的问题研究中，大多采用领从式控制方法来设计无人机集群控制协议，且针对旋翼无人机研究更多。但是，在实际战场中，领从式控制的旋翼无人机集群有着不可避免的局限。一方面，在实际复杂场景中，单纯的领从式控制在领导者节点受干扰时，会极大的影响整个集群系统的正常运行；另一方面，旋翼无人机受限于本身体积与载重约束，无法执行长时间侦察探测或远距离打击等任务。此外，由于旋翼无人机与固定翼无人机的物理特性差别较大，旋翼无人机在避障、编队队形变换等方面的算法研究无法直接移植到固定翼无人机集群控制中。因此，研究分布式的固定翼无人机集群控制是当前领域亟需解决的难题之一。

3、近年来，多智能体协同控制在不同的学科领域中引起了广泛关注。而编队控制作为多智能体协同控制的一个重要组成部分，在无人机远距离巡航侦查、小型无人机集群飞行等各方面理论都取得了极其迅速地发展。具体而言，固定翼无人机在规定区域内巡航需要形成稳定编队并按所需几何路径点飞行。例如j.yang开发了基于局部线性化的带有扰动观测器的路径跟随控制，并进行了稳定性分析和实物飞行试验。王祥科提出采用分组分层控制的方法，并通过100架固定翼无人机集群全流程数值仿真验证了所提出控制方法的有效性。然而该方法采用了领从式控制，缺少邻居之间的信息交互来增强无人机系统鲁棒性。t.oliveira则利用移动路径跟踪(moving path following，mpf)进行研究并取得一定成果，且石宇进一步推广到多架固定翼无人机协同移动路径跟踪(cooperative moving pathfollowing，cmpf)。从当前的研究中可以看出，对于基于固定翼无人机集群分布式跟踪问题，只有很少一部分采用了基于一致性的分布式控制策略。

4、在分布式固定翼无人机集群控制跟踪目标的过程中，最核心的要求是保证无人机集群在飞行跟踪过程中始终保持编队队形的稳定。然而考虑到实际复杂场景下，无人机集群需要合理进行队形变换并避免集群内无人机之间发生碰撞来适应不同的飞行环境，例如在峡谷地带需要编队收缩，侦察任务下需要编队散开以保证最大侦察范围等。此外，还需考虑在部分节点之间的通信断开时，仍可以形成稳定编队形状，也就是要采用分布式编队控制。对于固定翼无人机而言，控制算法还需要在满足其非线性物理约束下进行。综上所述，需要研究基于分布式控制的固定翼无人机在复杂环境下防碰控制算法以及编队队形变换分配策略。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种固定翼无人机集群的编队控制方法、装置、介质及产品，减少了无人机在编队队形变换时的碰撞几率，并降低了整体代价损耗，实现了复杂场景下的稳定编队跟踪。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种固定翼无人机集群的编队控制方法，包括：

4、在预设控制时段中，实时获取所述固定翼无人机集群中各无人机的位置坐标、各无人机与跟踪目标之间的编队位置、跟踪目标的位置坐标和各无人机的弹道偏角；所述固定翼无人机集群包括多架无人机；所述固定翼无人机集群中各无人机与所述跟踪目标的飞行高度相同，各无人机与跟踪目标之间的编队位置是利用匈牙利算法确定的；

5、利用分布式避障控制方法，基于各无人机的位置坐标、各无人机位置坐标与跟踪目标的编队位置以及跟踪目标的位置坐标，实时确定所述固定翼无人机集群中各无人机的控制指令，从而实现对各无人机的实时控制；所述控制指令包括：速度控制指令和滚转角控制指令；所述位置坐标包括：x轴坐标和z轴坐标；所述编队位置包括：x轴编队位置和z轴编队位置；

6、其中，对于预设控制时段中的实际控制时段中的任一当前时刻的任一当前无人机的控制指令的确定过程，包括：

7、基于当前无人机的位置坐标、各非当前无人机的位置坐标、当前无人机与跟踪目标之间的编队位置、各非当前无人机与跟踪目标之间的编队位置以及跟踪目标的位置坐标，确定当前无人机的速度；所述速度包括：x轴速度和z轴速度；所述实际控制时段为第一时刻到所述预设控制时段最后时刻之间的时段，所述第一时刻为比所述预设控制时段的初始时刻晚预设时间间隔的时刻；

8、基于当前无人机的速度，确定当前无人机的第一速度指令和第一弹道偏角指令；

9、分别基于当前无人机的位置坐标和各非当前无人机的位置坐标，确定当前无人机与对应非当前无人机的距离；

10、将距离小于预设值的无人机确定为目标非当前无人机；

11、基于当前无人机的位置坐标和速度、各目标非当前无人机的位置坐标和速度以及当前无人机与各目标非当前无人机的距离，确定基于对应目标非当前无人机确定的当前无人机的第二速度指令和第二弹道偏角指令；

12、基于当前无人机的第一速度指令以及当前无人机对应的所有第二速度指令，确定当前无人机的速度控制指令；

13、基于当前无人机的第一弹道偏角指令以及当前无人机对应的所有第二弹道偏角指令，确定当前无人机的弹道偏角控制指令；

14、基于当前无人机的速度控制指令和弹道偏角控制指令，确定当前无人机的滚转角控制指令。

15、可选地，预设控制时段中的任一时刻的各无人机与跟踪目标之间的编队位置的确定过程，包括：

16、确定所述固定翼无人机集群在所述预设时段中m个队形变换时刻的编队队形；m>1，编队队形的一个槽位对应一架无人机；

17、将前m-1个队形变换时刻中的任一队形变换时刻确定为当前队形变换时刻；

18、基于各槽位在当前队形变换时刻的位置坐标和各槽位在下一队形变换时刻的位置坐标，确定当前队形变换时刻的代价矩阵；

19、利用匈牙利算法，基于当前队形变换时刻的代价矩阵，确定当前队形变换时刻和下一队形变换时刻之间各时刻的各无人机与跟踪目标之间的编队位置。

20、可选地，基于当前无人机的位置坐标、各非当前无人机的位置坐标、当前无人机与跟踪目标之间的编队位置、各非当前无人机与跟踪目标之间的编队位置以及跟踪目标的位置坐标，确定当前无人机的速度，包括：

21、基于当前无人机的x轴坐标、各非当前无人机的x轴坐标、当前无人机与跟踪目标之间的x轴编队位置、各非当前无人机与跟踪目标之间的x轴编队位置以及跟踪目标的x轴坐标，确定当前无人机的x轴速度；

22、基于当前无人机的z轴坐标、各非当前无人机的z轴坐标、当前无人机与跟踪目标之间的z轴编队位置、各非当前无人机与跟踪目标之间的z轴编队位置以及跟踪目标的z轴坐标，确定当前无人机的z轴速度。

23、可选地，基于当前无人机的速度，确定当前无人机的第一速度指令和第一弹道偏角指令，包括：

24、基于当前无人机的x轴速度和z轴速度，确定当前无人机的第一速度指令；

25、基于当前无人机的x轴速度、z轴速度和弹道偏角，确定当前无人机的第一弹道偏角指令；任一无人机在当前时刻的第一弹道偏角指令是基于当前时刻的x轴速度、z轴速度以及在比当前时刻早预设时间间隔的时刻的弹道偏角确定的，比当前时刻早预设时间间隔的时刻处于所述预设控制时段中。

26、可选地，基于当前无人机的位置坐标和速度、各目标非当前无人机的位置坐标和速度以及当前无人机与各目标非当前无人机的距离，确定基于对应目标非当前无人机确定的当前无人机的第二速度指令和第二弹道偏角指令，包括：

27、根据当前无人机的位置坐标和速度以及各目标非当前无人机的位置坐标和速度，确定基于对应目标非当前无人机确定的当前无人机的避障航向角速度方向；

28、根据基于各目标非当前无人机确定的当前无人机的避障航向角速度方向以及当前无人机与各目标非当前无人机的距离，确定基于对应目标非当前无人机确定的当前无人机的第二速度指令；

29、根据当前无人机的位置坐标、速度和弹道偏角，各目标非当前无人机的位置坐标和速度以及当前无人机与各目标非当前无人机的距离，确定基于对应目标非当前无人机确定的当前无人机的第二弹道偏角指令。

30、可选地，基于当前无人机的第一速度指令以及当前无人机对应的所有第二速度指令，确定当前无人机的速度控制指令，包括：

31、对当前无人机的第一速度指令以及当前无人机对应的所有第二速度指令进行求和，得到当前无人机的速度控制指令。

32、可选地，基于当前无人机的第一弹道偏角指令以及当前无人机对应的所有第二弹道偏角指令，确定当前无人机的弹道偏角控制指令，包括：

33、对当前无人机的第一弹道偏角指令以及当前无人机对应的所有第二弹道偏角指令进行求和，得到当前无人机的弹道偏角控制指令。

34、一种计算机装置，包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现上述任一项所述的固定翼无人机集群的编队控制方法。

35、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的固定翼无人机集群的编队控制方法。

36、一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的固定翼无人机集群的编队控制方法。

37、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

38、本发明公开了一种固定翼无人机集群的编队控制方法、装置、介质及产品，对固定翼无人机集群进行分布式编队控制，加入了机间防碰算法避免无人机之间发生碰撞，并引入匈牙利算法，优化编队队形变换时编队分配策略，减少无人机在编队队形变换时的碰撞几率，并降低了整体代价损耗，实现复杂场景下的稳定编队跟踪。