一种基于透光性假说的飞行器密集自主编队控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于透光性假说的飞行器密集自主编队控制方法，属于无人飞行器自主编队控制【技术领域】。为了解决现有多飞行器编队技术难于降低飞行器密集编队时的碰撞概率的问题，在研究群体防碰撞问题的基础之上，分析密集群体防碰撞的特殊性，根据自然界中动物的群体行为，提出了密集群体防碰撞机理的透光性假说，设计了透光性生成协议来生成表征编队中各节点透光性的透光系数；把透光性假说与模型预测控制编队控制器相结合，建立编队局部预测模型，设计LMPC编队控制器；将LMPC编队控制器和透光系数相结合，给出令各节点遵循透光性假说原理进行碰撞规避行为的透光规避算法，有效地降低了密集编队情况下的碰撞概率。
【专利说明】一种基于透光性假说的飞行器密集自主编队控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无人飞行器自主编队控制【技术领域】，具体来说是一种用于无人飞行器的密集自主编队控制方法。
【背景技术】
[0002]在多飞行器密集编队的情况下，飞行器与飞行器之间的距离接近最小安全距离，并且对于编队中的某一特定飞行器而言，因为其周围分布有其它飞行器，缺乏自由运动空间，这使得该飞行器的避碰机动(例如规避邻近飞行器由于各种随机干扰或某些突发情况或故障产生的非期望运动)比松散或紧密编队情况下更加困难和复杂，这也是密集编队情况下编队控制系统需要考虑的问题。另一方面，由于飞行器有效载荷的限制与成本控制，使得其不便于增加额外的防碰撞设备，但在网络化自主编队飞行的大背景下，要求飞行器均装备有组网通信模块，飞行器之间能够利用编队数据链互联互通，进行相关信息的实时共享，这使得通过编队数据链进行密集编队防碰撞控制成为可能。
[0003]现阶段编队控制中的防碰撞方法研究，常见于多地面机器人编队系统、多卫星编队系统、多舰船编队系统、多无人机编队系统和多智能体编队系统等领域，本质上所有群体防碰撞方法都源于个体间距离的控制，目前主要的防碰撞方法有以下几种:
[0004](I)基于规划或调度的防碰撞方法:安全距离是这样一种距离，在节点间或节点和威胁间的间距小于它的时候，节点需要主动采取措施。对于松散编队，常采用航迹规划或调度规划(常见于空中交通管制和地面机器人编队)的方法防碰撞，这种方法可以总结为通过规划使节点在空间域和时间域上具有排斥性，即确保同一时间邻域内的节点不在同一空间邻域内，而同一空间邻域内的节点不在同一时间邻域内，这种规划通常是离线的、集中式的，并且往往不需要编队进行队形上的保持，即使需要进行队形上的保持，因为节点间距的尺度远大于最小安全距离，所以节点的信息不确定性、复杂机动、非期望机动等这些因素会被大尺度相对距离下的编队运动系统过滤掉，致使在松散编队情况下节点间的防碰撞问题并不突出，往往通过离线的规划调度进行避免，在线的防碰撞压力不大，在这个角度上讲，也可以认为松散编队在某种意义上是通过设置远大于安全距离的节点间距来实现防碰撞的。
[0005](2)基于虚拟力的防碰撞方法:基于虚拟力的方法源自Reynolds的动物群体行为模型，设计虚拟力或势场(排斥、保持、吸引)和距离的函数关系，在编队运动中，当其它节点或威胁进入某节点的探测范围的时候，该节点便根据间距计算这个虚拟力，然后转化为控制量，可以应用在队形的保持上，也可应用在防碰撞上。
[0006](3)基于调整高度的防碰撞方法:调整飞行高度的方法是一种简单实用的方法，当编队节点在某一维度内产生碰撞威胁的时候向另一维度规避，比如在研究无人机分散化编队飞行控制方法的过程中，假定无人机可以通过调整相对飞行高度来自主进行避碰机动，从而使编队飞行控制问题得到简化。但在多飞行器密集编队低空突防的时候，为了降低被探测的概率，更好的利用地面杂波反射和地球曲率，节点往往没有这种高度上的自由空间，又或者在其头上有其它的节点(三维情况下的密集编队)，总之这种方法的前提是节点必须拥有这样的自由维度。
[0007]在飞行器进行密集自主编队时，以上编队方法难以较好地解决信息不确定性、复杂机动、非期望机动等所引起的飞行器的防碰撞问题，需要设计新的编队控制方法。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是为了解决现有多飞行器编队技术难于降低飞行器密集编队时的碰撞概率的问题，提出一种基于透光性假说的飞行器密集自主编队控制方法。本发明在研究群体防碰撞问题的基础之上，分析密集群体防碰撞的特殊性，根据自然界中动物的群体行为提出密集群体防碰撞机理的透光性假说，建立了该假说的模型即透光性生成协议；并把透光性假说和现有的其它假说一起与模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)编队控制器相结合，提出了编队局部预测模型，设计了基于仿生的密集编队局部模型预测控制器(Local MPC, LMPC编队控制器);将LMPC编队控制器和透光系数相结合，给出令各节点遵循透光性假说的原理进行碰撞规避行为的一个实现算法(即透光规避算法)，有效地降低了密集编队情况下的碰撞概率。
[0009]本发明提供的基于透光性假说的飞行器密集自主编队控制方法，具体实现步骤如下:
[0010]第一步，建立透光性生成协议。
[0011]本发明通过对鸟群密度的分布特点进行分析，得出鸟群密度、碰撞威胁感、自由空间三者的内在联系，进而提出基于仿生的密集群体防碰撞机理的透光性假说。对于飞行器编队来说，透光性的大小可以通过获得自由空间的可能性大小来衡量，本发明用自由空间类比“光”，用透光系数来表征透光性，用透光系数的生成过程来模仿透光的过程，进而提出了透光性生成协议，计算表征编队中各节点透光性的透光系数。
[0012]第二步，建立LMPC编队控制器；
[0013]把编队中节点e i的编队控制系统由双节点(节点e i与领航节点)运动预测模型扩展成包含所有近邻(e ,与N( e ” k_ ? ds))的局部运动预测模型，基于该模型的控制方法即网络化自主编队的局部模型预测控制器(LMPC编队控制器)。参照动物行为按照相距其它同类的距离划分为排斥区、保持区和吸引区的做法，把在线优化的代价函数的权重Qij设计为节点^和每个近邻节点e」相对距离Clij的函数《 ^f(Clij)，威胁认定间距kmin*ds和近邻认定间距k_ ^ds为f安排节点Si周围的排斥区、保持区和吸引区的参数。对于领航节点它对跟随节点没有反向跟随的义务，即领航节点是“自私的”。对于跟随节点e i，其与领航节点e L的权重存在一个最小值，这个最小值与其它节点相互间正常情况下的权重最大值相当，即对领航节点h表现出“信任”，这样能保证对领航节点q的跟随效果。权重决策之后，节点e 1通过在线解一个线性不等式约束条件下的二次规划(Quadraticprogramming, QP)问题得到LMPC编队控制器的最优控制量Ui作为指令作用于内环飞行控制系统。
[0014]第三步，将LMPC编队控制器与透光系数相结合，给出碰撞规避算法。
[0015]为了使节点Si具有顾及整体利益的能力，将LMPC编队控制器和透光系数相结合，给出令节点e ,遵循透光性假说的原理进行规避行为的一个实现算法(透光规避算法)，原理即判断碰撞威胁程度是否达到阈值，达到阈值后对于有自由空间的节点，间距指令向其自由空间张角对角线方向增大一个阈值；对于没有自由空间的节点，应用透光系数最大的近邻节点的间距指令。当碰撞威胁程度降到阈值以下时恢复原指令。
[0016]本发明的优点在于:
[0017](I)根据所提出的透光性生成协议得到的透光系数，在表征鸟群以及密集编队网络透光特性上是有效的；
[0018](2)所提出的基于透光性假说的飞行器密集自主编队控制方法，可以有效降低密集编队情况下飞行器的碰撞概率；
[0019](3)由于LMPC是基于局部运动模型的，所以在网络通信过程中，当某近邻网络丢包时，节点仍维持着和其它近邻的相对位置关系，所以对网络丢包具有鲁棒性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1:本发明中密集群体防碰撞机理的透光性假说示意图；
[0021]图2:本发明中节点编队的透光生成协议仿真结果；
[0022]图3:传统跟随与本发明中近邻跟随模式的区别示意图；
[0023]图4:本发明透光规避算法的流程图；
[0024]图5:本发明实施例中三角形编队位置坐标图；
[0025]图6:实施例中节点编队的透光性生成协议仿真结果。
【具体实施方式】
[0026]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0027]本发明提供一种基于透光性假说的飞行器密集自主编队控制方法，具体内容如下:
[0028]第一步，建立密集群体防碰撞机理的透光性假说一透光性生成协议。
[0029]从鸟群的密度分布特点可知，密集鸟群存在着密度的分布，从边界向中心递减，本发明有这样的联想，鸟群拉开密度梯次后，从边界到中心所有鸟感到的碰撞威胁应该基本达到一致，也就是说所有鸟的感受达到了一种平衡，也就是说这种分布表明了边界处的鸟感到的碰撞威胁较低，中心的鸟反之。另一方面，鸟群中的个体距离自由空间(边界外)的远近也是从边界向中心递减，所以这种威胁感的高低同距离自由空间的远近是对应的，这就是鸟群密度、碰撞威胁感、自由空间三者的内在联系。
[0030]鸟类通过感受到的光线的明暗程度来判断自身在鸟群中的碰撞威胁梯度，光线在鸟群的外边界处亮度最大，在透过中间个体缝隙到达中央的过程中，亮度逐渐损失。鸟群作为一个复杂的几何形体对光线的这种吸收、遮挡或阻碍的作用反映在某一个体上，就是该个体的透光性，所有个体的透光性便组成鸟群的透光性分布，自然选择使单只鸟在鸟群中倾向于朝向透光性大的方向躲避碰撞。
[0031]鸟群中不同位置透光性的大小可以看成是该位置获得自由空间的难度或可能性，简单地说，透光性假说的实质就是密集鸟群中的个体在规避个体间碰撞的时候，朝向距离群体自由空间较近的区域运动，而群体的边界正是群体自由空间较多的区域，鸟群就是这样使密集编队中碰撞带来的扰动以较低的代价传递到自由空间，如图1所示，节点1、节点2和节点3处于密集群体中，节点2周围没有自由空间，在受到碰撞威胁的时候只能向获得自由空间(边界)可能性大的方向躲避，所以它将向节点3运动而不是节点I。
[0032]对于飞行器编队来说，透光性的大小可以通过获得自由空间的可能性大小来衡量，本发明用自由空间类比“光”，用透光系数C来表征透光性，用透光系数的生成过程来模仿透光的过程。具体地说，密集编队的拓扑结构可以用图G=(E，e)来表示，E为边集；e为节点集；(Iij则表示节点Si与节点Sj的距离；节点Si的近邻节点的集合为N( e i, kmax ? ds)，即满足任取 e」G N( e i, kmax ? ds)，有(Iij ( kmax ? ds, kmax 为间距的近邻认定调整系数，ds为安全距离(一般密集编队k_ G (1，1.5]);图G的边界点的集合为B(G, kmax-ds),连接认定距离取为kmax-ds。显然,在密集编队中当节点SiGB(Gjmax-Cls)时具有较多的自由空间，而节点位mG,时几乎没有自由空间，设e j在二维平面内自由空间张角为 A( e ^ = Z EmEiE n，其中 e m, e n e N( e ^ kmax.ds)，且 e ^与 e n|ljA( e )对角线的距离(即从％，％向该对角线做垂直线所得到的垂线段的长度)都大于kmin*ds，kmin为间距的威胁认定调整系数。e i的透光性可以理解为透光概率，即e i落入自由空间的概率，设为Pi> J，而二维平面内^的自由空间或“光”在[0，2 Ji]上服从均匀分布，则可定义当kmax ? ds)时，节点e i的透光系数C{ e J为节点e t的透光概率，即
[0033]
【权利要求】
1.一种基于透光性假说的飞行器密集自主编队控制方法，其特征在于:包含基于透光性假说的透光性生成协议，LMPC编队控制器设计，以及LMPC编队控制器与透光性假说的结合的透光规避算法三部分内容。
2.根据权利要求1所述的一种基于透光性假说的飞行器密集自主编队控制方法，其特征在于:所述的基于透光性假说的透光性生成协议表示为: 表征编队中节点e ,透光性的透光系数C{ e J为:,￡itB(G,kmu-ds)CW = j f(I)
其中e imax = arg max (C { e」| e」G N( e J }),表示透光系数最大的近邻节点，A( e )为节点e i在二维平面内自由空间张角，A( e J e imax)表示e imax落入自由空间后提供给节点e i的自由空间张角，B(G，kmax ^ds)为图G的边界点的集合，C{ e imax}表示透光系数最大的近邻节点e imax的透光系数。
3.根据权利要求1所述的一种基于透光性假说的飞行器密集自主编队控制方法，其特征在于:所述的LMPC编队控制器设计具体为: 把编队中节点e i的编队控制系统由双节点运动预测模型扩展成包含所有近邻的局部运动预测模型，所述的双节点是指节点e i与领航节点； 对于节点e i的LMPC编队控制器，选取状态 Xt =...,Xj,...,.r?,..., V/,...V,f,其中 Xj, yj 为节点 e i 与近邻节点e j的相对距离在e j弹道坐标系中的投影；教为节点e i的航迹偏角！Vi为节点e i的速度；n为集合N( e i, kmax ? ds)内节点的个数；可控输入为Wi= (_ Fw)'其中Vci分别为节点e i的航迹偏角指令和速度指令；可测量干扰为4 = Ou %…?肩,…泰Vh V2,..., Vh...，Fn)'其中％ Vj分别为近邻节点e J的航迹偏角和速度，由节点e t通过支撑网络获得；输出 (-Tb.1?..., Xh...5X-- VI, V2,...,Vh...,J的 Ap;, Ar,? 其中 Ap1= f1-ft,AVi=Vl-Vi, L代表领航节点在N( e ^max ? ds)中的序号，是实际近邻节点或者是虚拟领航节点，输出Yi反映了节点e 1与所有近邻节点或领航节点的相对位置关系，以及节点^与领航节点的航迹偏角与速度偏差；近邻数为n的局部运动离散预测模型为:
j Xs(k + 1) = AiXiIk) + BuiUi(Ic) + BJ,(k.、
I Yi(k) = Cl(k)Xl(k)^D<dAk) 其中系数矩阵如下，下标r表示线性化时的平衡点，这里取为参考值；
4.根据权利要求1所述的一种基于透光性假说的飞行器密集自主编队控制方法，其特征在于:所述的LMPC编队控制器与透光性假说的结合的透光规避算法的原理为:判断碰撞威胁程度是否达到阈值，达到阈值后对于有自由空间的节点，间距指令向其自由空间张角对角线方向增大一个阈值；对于没有自由空间的节点，应用其允许方位上透光系数最大的近邻节点的间距指令；当碰撞威胁程度降到阈值以下时恢复原指令。
【文档编号】G05B13/04GK103631141SQ201310671331
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】吴森堂, 张 杰, 杜阳, 贾翔, 刘本慧 申请人:北京航空航天大学