一种多无人机编队结构的分布式容错管理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多无人机编队结构的容错管理，属于无人机控制与决策领域。
【背景技术】
[0002] 多无人机编队结构的容错管理是指多无人机编队执行任务的过程中，编队中的某 架或多架无人机出现损毁时，使用编队中的剩余无人机来完成编队结构的调整，以保持编 队结构的稳定，从而确保编队任务的顺利完成。
[0003] 传统的多无人机编队结构的容错管理方法以集中式为主，需要一个主控中心（可 以是地面控制中心，也可以是一架中心无人机）来负责跟踪编队的状态，当编队中的某架 或多架无人机出现损毁时，由此主控中心负责控制整个编队的剩余无人机进行编队结构的 调整以保持编队结构的稳定。集中式方法简单易于实现，但它的缺点也很明显：对主控中心 的通信能力和计算能力要求高；如果主控中心损毁或通信中断，则整个多无人机编队瘫痪。 此外，传统的多无人机编队结构的容错管理方法主要针对单个无人机编队的容错管理，还 缺少对多个无人机编队组成的复杂无人机编队的容错管理。
【发明内容】
[0004] 本发明是为了克服现有多无人机编队结构的容错管理方法存在的不足之处，提出 了一种多无人机编队结构的分布式容错管理方法，以期能在多个无人机编队复合而成的复 杂无人机编队的飞行过程中出现无人机损毁时，剩余的无人机能够进行自主决策，以唯一 确定其中一架无人机来完成编队结构的调整，从而确保多无人机编队结构的稳定性，提高 多无人机编队结构的容错管理的可靠性和鲁棒性。
[0005] 本发明为达到上述目的所采用的技术方案是：
[0006] 本发明一种多无人机编队结构的分布式容错管理方法，是应用于由m架无人机和 一个地面控制中心组成的飞行控制环境中；在所述飞行控制环境中存在一架领头无人机， 按照预定航迹带领其它无人机朝向目标飞行；所述m架无人机记为u = {uu u2,…，w，… ，um}，1 < i < m ;i表示无人机唯一的编号，w表示第i架无人机；其特点是按如下步骤进 行：
[0007] 步骤1、所述地面控制中心构建初始编队结构，并将所述初始编队结构转换为编队 结构消息后发送给所述m架无人机；
[0008] 步骤2、所述m架无人机根据所述编队结构消息形成初始编队结构并进行自主飞 行；
[0009] 步骤3、每架无人机分别按照其它无人机的编号从小到大的顺序依次判断其它无 人机是否出现新的损毁，若没有出现新的损毁，则继续进行自主飞行，并返回步骤3执行； 若出现新的损毁，则执行步骤4 ;
[0010] 步骤4、剩余的无人机分别自主判断自身是否需要负责重新计算编队结构，若需 要，则执行步骤5,若不需要，则判断是否接收到新的编队结构消息；若接收到，则执行步骤 6,否则，继续等待；
[0011] 步骤5、重新构建新的编队结构，并将新的编队结构转换为新的编队结构消息后发 送给其它无人机；
[0012] 步骤6、所述剩余的无人机根据所述新的编队结构消息形成新的编队结构并进行 自主飞行；并返回步骤3执行。
[0013] 本发明所述的多无人机编队结构的分布式容错管理方法的特点也在于，
[0014] 所述步骤1的初始编队结构按如下步骤构建：
[0015] 步骤1. 1、将所述m架无人机组成η个元结构编队；所述元结构编队的类型包括： 长僚元结构编队、链式元结构编队和并行元结构编队；
[0016] 步骤1. 2、定义编队复合级别为1，定义最大编队复合级别为L ;并初始化1 = 1 ;则 此时的1-1级复合结构编队即为元结构编队；
[0017] 步骤1. 3、将所述1-1级复合结构编队组成1级复合结构编队；所述1级复合结构 编队的类型包括：长僚1级复合结构编队、链式1级复合结构编队和并行1级复合结构编 队；
[0018] 步骤1. 4、判断1 = L是否成立，若成立，则完成所述初始编队结构的构建；否则， 将1+1赋值给1 ;并返回步骤1. 3执行。
[0019] 所述步骤1. 1中的元结构编队的类型分别为：
[0020] 所述长僚元结构编队由1架长机和其它僚机组成，以所述长机作为所述长僚元结 构编队的代表无人机；所述僚机按其编号从小到大的顺序进行排列，从而形成僚机的序号， 用于表示为所述长机的第几架僚机；
[0021] 所述长僚元结构编队的编队队形为：所述长机在后方领航飞行，所述僚机按照序 号在所属长机的前方一字横向排开并跟随长机飞行；
[0022] 以所述长机的重心为第一坐标系的原点，以所述长机的正前方、右方和正下 方分别为坐标系的Xl轴、y i轴和ζ ，则任一架僚机相对于所述长机的位置坐标为
d。表示相邻两个僚机之间的距离；k表示僚机的序号； k多1 ;
[0023] 所述链式元结构编队是由S架无人机按竖向排列而形成的链条结构，第s架无人 机是第s+1架无人机的链式前驱无人机；第s+1架无人机是第s架无人机的链式后继无人 机；1 < s < S ;以链条结构的第一架无人机作为所述链式元结构编队的代表无人机；
[0024] 所述链式元结构编队的编队队形为：以所述代表无人机在最前方领航飞行，其余 无人机在后方跟随其链式前驱无人机飞行；
[0025] 以所述第s架无人机的重心为第二坐标系的原点，以第s架无人机的正前方、右方 和正下方分别为坐标系的x2轴、y 2轴和z 2轴，则第s+1架无人机相对于第s架无人机的位 置坐标为（_(1。，0,0) ;d。表示相邻两架无人机之间的距离；
[0026] 所述并行元结构编队是由Η架无人机横向排列而形成的链条结构，第h架无人机 是第h+Ι架无人机的并行前驱无人机；第h+Ι架无人机是第h架无人机的并行后继无人机； 1 < h < Η ;以链条结构的第一架无人机作为所述并行元结构编队的代表无人机；
[0027] 所述并行元结构编队的编队队形为：以所述代表无人机在最左方领航飞行，其余 无人机在右方跟随其并行前驱无人机飞行；
[0028] 以所述第h架无人机的重心为第三坐标系的原点，以第h架无人机的正前方、右方 和正下方分别为坐标系的X3轴、y 3轴和Z 3轴，则第h+Ι架无人机相对于第h架无人机的位 置坐标为（0，(1。，0) ;d。表示相邻两架无人机之间的距离；
[0029] 所述步骤1. 3中的1级复合结构编队的类型分别为：
[0030] 所述长僚1级复合结构编队是若干个1-1级复合结构编队组成，从1-1级复合结 构编队中任意选择一个1-1级复合结构编队作为长机编队，其它1-1级复合结构编队作为 僚机编队；以长机编队的代表无人机作为所述长僚1级复合结构编队的代表无人机；所述 僚机编队按照各个僚机编队的代表无人机的编号从小到大的顺序进行排列，并以排列的顺 序作为各个僚机编队的序号；
[0031] 所述长僚1级复合结构编队的编队队形为：所述长机编队的代表无人机在后方领 航飞行，所述僚机编队的代表无人机按照僚机编队的序号在所属长机编队的前方一字横向 排开并跟随长机编队的代表无人机飞行；
[0032] 以所述长机编队的代表无人机的重心为第四坐标系的原点，以所述长机 编队的代表无人机的正前方、右方和正下方分别为坐标系的χ4轴、y4轴和z 4轴， 则任一个僚机编队的代表无人机相对于所述长机编队的代表无人机的位置坐标为
i表示1-1级复合结构编队中相邻 两个僚机编队的代表无人机之间的距离；k'表示僚机编队的序号；k'多1;
[0033] 所述链式1级复合结构编队是由G个1-1级复合结构编队按竖向排列而形成的链 条结构，第g个1-1级复合结构编队是第g+Ι个1-1级复合结构编队的链式前驱编队；第 g+Ι个1-1级复合结构编队是第g个1-1级复合结构编队的链式后继编队；1 < g < G ;以 链条结构的第一个1-1级复合结构编队的代表无人机作为所述链式1级复合结构编队的代 表无人机；
[0034] 所述链式1级复合结构编队的编队队形为：以所述链式1级复合结构编队的代表 无人机在最前方领航飞行，其余1-1级复合结构编队的代表无人机在后方跟随其链式前驱 编队的代表无人机飞行；
[0035] 以所述第g个1-1级复合结构编队的代表无人机的重心为第五坐标系的原点，以 第g个1-1级复合结构编队的代表无人机的正前方、右方和正下方分别为坐标系的χ5轴、y5轴和25轴，则第g+1个1-1级复合结构编队的代表无人机相对于第g个1-1级复合结构编 队的代表无人机的位置坐标为（-山，0,0);山表示相邻两个1-1级复合结构编队的代表无人 机之间的距离；
[0036] 所述并行1级复合结构编队是由W个1-1级复合结构编队按横向排列而形成的链 条结构，第w个1-1级复合结构编队是第w+1个1-1级复合结构编队的并行前驱编队；第 w+1个1-1级复合结构编队是第w个1-1级复合结构编队的并行后继编队；K w < W ;以 链条结构的第一个1-1级复合结构编队的代表无人机作为所述并行1级复合结构编队的代 表无人机；
[0037] 所述并行1级复合结构编队的编队队形为：以所述并行1级复合结构编队的代表 无人机在最左方领航飞行，其余1-1级复合结构编队的代表无人机在右方跟随其并行前驱 编队的代表无人机飞行；
[0038] 以所述第w个1-1级复合结构编队的代表无人机的重心为第六坐标系的原点，以 第W个1-1级复合结构编队的代表无人机的正前方、右方和正下方分别为坐标系的x6轴、y 6轴和26轴，则第W+1个1-1级复合结构编队的代表无人机相对于第W个1-1级复合结构编 队的代表无人机的位置坐标为（0,(^0);山表示相邻两个1-1级复合结构编队的代表无人 机之间的距离。
[0039] 所述步骤1的编队结构消息为一个以逗号隔开的mXm大小的矩阵所对应的字符 串：bn，b12，· · ·，blm, b2i，b22，· · ·，b2m，· · ·，bml, bm2，· · · ，bmm，m表示无人机的总数；表示第i 架无人机Ul和第j架无人机u ,之间的编队结构关系或表示以第i架无人机u i为代表无人 机的编队和以第j架无人机11,为代表无人机的编队之间的编队结构关系；1 < j < m ;
[0040] 设定1^ = 0且i辛j时，表示第i架无人机u ;和第j架无人机u 之间无任何编 队结构关系；或表示以第i架无人机^为代表无人机的编队和以第j架无人机1!,为代表无 人机的编队之间无任何编队结构关系；
[0041] 设定1^= 10且i辛j时，表示第i架无人机u ;是第j架无人机u 的长机；
[0042] 设定1^= 100X 1+10且i辛j时，表示以第i架无人机u ;为代表无人机的编队 是以第j架无人机为代表无人机的编队的长机编队；
[0043] 设定1^= -10且i辛j时，表示第i架无人机u ;是第j架无人机u 的僚机；
[0044] 设定1^= -(100X1+10)且i辛j时，表示以第i架无人机11;为