一种固定翼无人机编队飞行控制方法及装置

本发明涉及无人机，尤其涉及一种固定翼无人机编队飞行控制方法及装置。

背景技术：

1、随着无人机自主控制技术的不断发展与深化应用，无人机自主集群系统的开发已经成为重要发展方向之一。无人机之间经过紧密协作，可以体现出比人工系统更为卓越的自主性和协调性。无人机集群因为具有上述优势，在各种军事、民用和农业应用中很有可能取代传统的载人飞机。例如在军事任务中，集群中的无人机可以携带摄像机、雷达和武器等各种设备，用于对抗环境中的侦查、监视和火力打击任务，且无需机载飞行员。在民用领域中，无人机集群可以大大扩展感知范围，用于对自然灾害进行监测和自然资源的探测等任务。近年来，小型机载自驾仪系统、卫星姿态估计传感器、低成本gps和无线通信设备的发展使得无人机能够在各种控制算法下执行自主飞行和一些基本的轨迹跟踪任务，同时这些设备保证并扩展了无人机完成不同任务的能力，并降低了构建大规模无人机集群系统的成本。现有的基于生物集群飞行机制的无人机编队方法其主要方案是设计了基于层级结构的无人机通信网络、基于仿生行为的编队导航器和基于邻居交互行为的编队控制器，实现无人机集群编队算法控制层面上的仿真。但上述方法对无人机编队飞行控制仿真效果相对较差。因此，提供一种固定翼无人机编队飞行控制方法及装置，以结合固定翼无人机的动力学和运动学特点，进而提高无人机编队飞行控制仿真效果。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于，提供一种固定翼无人机编队飞行控制方法及装置有利于结合固定翼无人机的动力学和运动学特点，进而提高无人机编队飞行控制仿真效果。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例第一方面公开了一种固定翼无人机编队飞行控制方法，所述方法包括：

3、获取编队任务信息和编队队形信息；所述编队队形信息包括无人机位置关系信息和若干个编队僚机信息；

4、基于所述编队任务信息，确定出期望航迹信息；

5、基于所述期望航迹信息和所述编队队形信息，确定出无人机控制信息；所述无人机控制信息用于对固定翼无人机编队中的无人机进行飞行控制。

6、作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述期望航迹信息包括编队长机航迹信息和若干个编队僚机航迹信息；

7、所述基于所述编队任务信息，确定出期望航迹信息，包括：

8、基于代价模型对所述编队任务信息进行路径规划，得到所述编队长机航迹信息；

9、基于导航模型对所述编队长机航迹信息和所述无人机位置关系信息进行路径规划，得到若干个所述编队僚机航迹信息。

10、作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述基于导航模型对所述编队长机航迹信息和所述无人机位置关系信息进行路径规划，得到若干个所述编队僚机航迹信息，包括：

11、对于任一所述编队僚机信息，从所述无人机位置关系信息中所有的无人机相对位置信息确定出与该编队僚机信息相匹配的目标无人机相对位置信息；所述无人机相对位置信息表征编队队形信息中编队长机和编队僚机的相对位置关系；

12、对于所述编队长机航迹信息中的任一编队长机航迹点，利用第二导航模型对所述目标无人机相对位置信息和该编队长机航迹点进行计算处理，得到该编队长机航迹点对应的编队僚机期望航迹点；所述编队长机航迹点包括编队长机的期望北向位置、期望东向位置和期望高度；所述编队僚机期望航迹点包括编队僚机的期望北向位置、期望东向位置和期望高度；

13、其中，所述导航模型为：

14、

15、式中，p11、p12和h11分别为编队僚机的期望北向位置、期望东向位置和期望高度；d为编队僚机相对编队长机的期望距离；p21、p22和h22分别为编队长机的期望北向位置、期望东向位置和期望高度；α和β分别为编队僚机相对编队长机的仰角和方位角；

16、对所有所述编队僚机期望航迹点按生成顺序进行排序，得到该编队僚机信息对应的编队僚机航迹信息。

17、作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述基于代价模型对所述编队任务信息进行路径规划，得到所述编队长机航迹信息，包括：

18、利用代价模型对所述编队任务信息进行路径求解计算，得到目标路径；

19、对所述目标路径进行轨迹点计算处理，得到所述编队长机航迹信息。

20、作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述编队任务信息包括任务起点和任务终点；

21、所述利用代价模型对所述编队任务信息进行路径求解计算，得到目标路径，包括：

22、获取路径约束条件；

23、利用所述路径约束条件对所述编队任务信息进行路径计算处理，得到待选路径集合；

24、利用代价模型对所述待选路径集合进行代价计算，得到路径代价值集合；

25、其中，所述代价模型为：

26、d＝ω1*t+ω2*p+ω1*q；

27、式中，d为路径代价值；ω1和ω2分别为曲线路径权重和直线路径权重；t为第一段曲线路径；p为直线路径；q为第二段曲线路径；所述第一曲线路径为靠近所述任务起点的曲线段；所述第二曲线路径为靠近所述任务终点的曲线段；

28、对所述路径代价值集合中的所有路径代价值由小到大进行排序，得到路径代价值序列；

29、确定所述路径代价值序列中排序第一的所述路径代价值对应的待选路径为目标路径。

30、作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述对所述目标路径进行轨迹点计算处理，得到所述编队长机航迹信息，包括：

31、对所述目标路径进行轨迹点反解计算，得到初始航迹点信息；

32、利用平滑模型对所述初始航迹点信息进行轨迹平滑处理，得到所述编队长机航迹信息；

33、其中，所述平滑模型为：

34、p0＝2*p1*(1-t)+2*(p1-2*p2+p3)*t；

35、式中，p0为所述编队长机航迹信息中的编队长机航迹点；p1、p2和p3分别为所述初始航迹点信息中相邻的3个初始航迹点；t为[0,1]的常数。

36、作为一种可选的实施方式，在本发明实施例第一方面中，所述基于所述期望航迹信息和所述编队队形信息，确定出无人机控制信息，包括：

37、对所述编队队形信息中的所述无人机位置关系信息进行更新；

38、基于气动仿真模型对更新后的所述无人机位置关系信息进行计算处理，得到风向影响信息；所述风向影响信息表征编队长机飞行时产生的风对编队僚机的影响情况；

39、其中，所述气动仿真模型为：

40、

41、式中，u、v和v分别为沿着流束方向的诱导速度、上洗速度和侧洗速度；和分别为x、y和z轴方向的单位矢量；r1和r2分别为僚机相对于长机的左侧机翼与右侧机翼的距离矢量；rc为涡核半径；||·||向量的模；和分别为向量在y和z轴方向上的投影分量；a为涡线环量；

42、对所述风向影响信息和所述期望航迹信息进行控制参数计算，得到无人机控制信息。

43、本发明实施例第二方面公开了一种固定翼无人机编队飞行控制装置，装置包括：

44、获取模块，用于获取编队任务信息和编队队形信息；所述编队队形信息包括无人机位置关系信息和若干个编队僚机信息；

45、第一确定模块，用于基于所述编队任务信息，确定出期望航迹信息；

46、第二确定模块，用于基于所述期望航迹信息和所述编队队形信息，确定出无人机控制信息；所述无人机控制信息用于对固定翼无人机编队中的无人机进行飞行控制。

47、本发明第三方面公开了另一种固定翼无人机编队飞行控制装置，所述装置包括：

48、存储有可执行程序代码的存储器；

49、与所述存储器耦合的处理器；

50、所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行本发明实施例第一方面公开的固定翼无人机编队飞行控制方法中的部分或全部步骤。

51、本发明第四方面公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被调用时，用于执行本发明实施例第一方面公开的固定翼无人机编队飞行控制方法中的部分或全部步骤。

52、与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：

53、本发明实施例中，获取编队任务信息和编队队形信息；编队队形信息包括无人机位置关系信息和若干个编队僚机信息；基于编队任务信息，确定出期望航迹信息；基于期望航迹信息和编队队形信息，确定出无人机控制信息；无人机控制信息用于对固定翼无人机编队中的无人机进行飞行控制。可见，本发明有利于结合固定翼无人机的动力学和运动学特点，进而提高无人机编队飞行控制仿真效果。