一种基于智能避障的无人机集群节能覆盖部署方法与流程

本发明涉及一种基于智能避障的无人机集群节能覆盖部署方法，属于无人机。

背景技术：

1、近年来，无人机集群技术概念的提出及发展，有效解决了单个无人机作业时载荷相对较小，信息感知处理能力相对较弱的不足。无人机集群技术的研究与应用已成为无人机技术发展的一个重要方向，无人机集群不但能通过单机间的密切协作，有效提升载荷能力和信息处理能力，并且无人机集群具有很高的“自愈”能力和很强的鲁棒性。

2、但是，飞行自组网(fanet)作为一种不依靠地面站通信交互的自组织架构，它的运行将完全依靠系统内无人机自带的能量，受限于体积大小，每架无人机无法携带过大的电池，因此能量对于无人机而言是一类最为核心的待分配资源，它将支撑无人机完成组网内通信与信息交互、部分无人机规划飞行轨迹，执行众多复杂的预测算法，完成任务供给需求以及提供无人机内部传感器、飞行器等基础供电。而对于区域覆盖任务而言，无人机应在计算规划出最终悬停位置以及悬停高度后，尽可能留存更多的剩余能量用于维持悬停、定期机间交互以及其余任务需求，如给覆盖区域提供临时通信网等。需要重点优化的部分即在到达最终部署位置前的过程中，要尽可能的减少每架无人机的能耗，并且要平衡无人机能耗。同时考虑到在无人机移动过程中常见的各种环境因素，如障碍物，禁飞区等等，这类约束同样要考虑进航迹规划的计算中。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于智能避障的无人机集群节能覆盖部署方法。首先，针对区域覆盖任务，飞行自组网(fanet)中每架无人机均有相同的飞行过程：1)保持一定距离水平飞行；2)遭遇障碍物/禁飞区时，水平/垂直调整飞行距离；3)恢复正常飞行高度；4)到达规划处坐标，升高至指定悬停高度，为目标区域提供覆盖以及后续服务。然后解决禁飞区约束。针对禁飞区，采用两种策略，一类禁飞区是在飞行时遭遇的，这类禁飞区往往有指定飞行高度，无人机只需降低飞行高度后，安全通过即可；另一类为位于目标区域内的禁飞区，在计算最终部署坐标时，需要考虑到避免最终悬停于禁飞区上空。本发明将聚焦于能耗优化，提出一种基于智能避障的无人机自组网的节能部署方法用于区域覆盖以及后续有必要的通信资源供给等服务。

2、本发明为实现上述发明目的采用了如下技术方案，具体方法包括如下：

3、用u＝{u1,u2,…,un}表示无人机集合，b＝{b1,b2,…,bn}表示每架无人机的初始电量。

4、首先，针对区域覆盖任务，fanet中每架无人机均有相同的飞行过程：1)保持一定距离水平飞行；2)遭遇障碍物/禁飞区时，水平/垂直调整飞行距离；3)恢复正常飞行高度；4)到达规划处坐标，升高至指定悬停高度，为目标区域提供覆盖以及后续服务。

5、用r＝{r1,r2,…,rm}表示飞行轨迹中必经的障碍物，ξ＝{ξ1,ξ2,…,ξl}表示飞行轨迹中必经的禁飞区，其中ri＝[xi,hi]，xi为障碍物质心处水平坐标，hi为障碍物高度垂直坐标。和为禁飞区的起始坐标和终止坐标。用m＝{m1,m2,…,mn}表示无人机的质量，x＝{x1,x2,…,xn}为无人机的初始部署位置坐标，x′＝{x′1,x′2,…,x′n}为无人机的最终部署水平坐标，h＝{h1,h2,…,hn}为无人机最终悬停高度坐标。单架无人机的功率表示为：

6、

7、其中vi为无人机速度，ρi为无人机飞行迎角，η为迎角系数，为无人机升阻比，它是升力与阻力的比值，与无人机飞行速度和迎角相关，k越大，表明无人机的空气动力性越好。假设无人机飞行过程中相对平稳，因此加速度ai设定为0，所有无人机保持匀速飞行。由于无人机的飞行过程可被简略划分为水平和垂直两个方向，水平方向上，速度表示为无人机迎角ρi＝0°，水平移动能耗为：

8、

9、其中x为避障相关距离，表示为：

10、

11、其中r*为对应无人机i在飞行航迹上所必经的障碍物集合，dj为躲避障碍物j所额外移动的水平距离，sj和ej分别为避障起始点坐标和避障终点坐标。由于无人机躲避障碍物的方案并不局限于水平方向，因此r*可进一步分为采用水平避障的障碍物集合与采用垂直避障的障碍物集合。避障相关距离可进一步细分为垂直避障相关距离x|和水平避障相关距离x-。对应的水平移动能耗表示为：

12、

13、相对的，垂直移动能耗表示为：

14、

15、因此，无人机飞行过程中包含避障与飞行的总能耗为：

16、

17、公式6可进一步简化为：

18、

19、其中，无人机的最终能耗，只与无人机的最终悬停高度，最终水平坐标，以及避障相关距离三项指标相关。本发明函待解决的优化问题可表述为：

20、

21、由于区域覆盖任务对最终覆盖率有一定需求，还需考虑覆盖率约束。另外由于实际国家中存在禁飞区，这些区域无法作为最终悬停区域，还需额外考虑禁飞区的约束。

22、最后，考虑加入飞行过程中的避障约束。在实际应用场景中，无人机的覆盖半径并不是固定不变的，覆盖半径与悬停高度相关，并随着悬停高度的增加而增加，表述为：

23、

24、其中h*为悬停高度阈值，a和b为常系数。在悬停高度超出h*之后覆盖半径将固定为r(h*)。因此单架无人机的覆盖区域在模型区域表述为li＝(x′i-r(hi),x′i+r(hi))，假设待覆盖区域为[0,l]，覆盖率约束表述为：

25、

26、禁飞区约束表述为：

27、

28、d(xi,x′i,hi)为从起点xi到终点x′i上方hi处的飞行路径，避障约束表述为：

29、

30、综合公式8～公式12，可得最终优化问题：

31、

32、有益效果：

33、1、本发明所提出的方法可以有效保留无人机剩余电量用于执行区域覆盖任务，同时算法实时性较好，具有一定实用价值。

34、2、本发明所提出的方法同时考虑到了实际飞行过程中必然会遇到的禁飞区退避/降飞以及避障问题，在以此二者为约束的基础上考虑优化无人机网络能耗，符合现实场景。

35、3、本发明所提出的方法在调整禁飞区时采用二分法优化执行效率，实时性较好。

技术特征：

1.一种基于智能避障的无人机集群节能覆盖部署方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于智能避障的无人机集群节能覆盖部署方法，其特征在于，用r＝{r1,r2,…,rm}表示飞行轨迹中必经的障碍物，ξ＝{ξ1,ξ2,…,ξl}表示飞行轨迹中必经的禁飞区，其中ri＝[xi,hi]，xi为障碍物质心处水平坐标，hi为障碍物高度垂直坐标，和为禁飞区的起始坐标和终止坐标，用m＝{m1,m2,…,mn}表示无人机的质量，x＝{x1,x2,…,xn}为无人机的初始部署位置坐标，x′＝{x1′,x′2,…,x′n}为无人机的最终部署水平坐标，h＝{h1,h2,…,hn}为无人机最终悬停高度坐标，单架无人机的功率表示为：

3.根据权利要求1所述的一种基于智能避障的无人机集群节能覆盖部署方法，其特征在于，由于区域覆盖任务对最终覆盖率有一定需求，还需考虑覆盖率约束，另外由于实际国家中存在禁飞区，这些区域无法作为最终悬停区域，还需额外考虑禁飞区的约束；

技术总结本发明提出了一种基于智能避障的无人机集群节能覆盖部署方法，首先针对区域覆盖任务，飞行自组网中每架无人机均有相同的飞行过程：1)保持一定距离水平飞行；2)遭遇障碍物/禁飞区时，水平/垂直调整飞行距离；3)恢复正常飞行高度；4)到达规划处坐标，升高至指定悬停高度，为目标区域提供覆盖以及后续服务。然后解决禁飞区约束。针对禁飞区，采用两种策略，一类禁飞区是在飞行时遭遇的，这类禁飞区往往有指定飞行高度，无人机只需降低飞行高度后，安全通过即可；另一类为位于目标区域内的禁飞区，在计算最终部署坐标时，需要考虑到避免最终悬停于禁飞区上空。本发明可以有效保留无人机剩余电量用于执行区域覆盖任务，同时算法实时性较好。技术研发人员：倪志宇,李易进,高峰,胡伟杰,汪镇涛受保护的技术使用者：南京维通亿境科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/15