一种垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法与流程

本发明涉及无人机，更具体的，涉及一种垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法。

背景技术：

1、垂直起降无人机(vertical take-off and landing，vtol)融合了旋翼飞行器和固定翼飞行器各自的优点，具有垂直起降和固定翼高速巡航的能力。但由于vtol无人机的多模态任务空间的动力学欠驱动和非线性的性质，以及运动持续时间、初末状态约束和非凸状态约束等复杂任务约束，这使得轨迹规划问题异常复杂。同时，不同的任务场景可能需要实时重新计算或调整轨迹，从而限制了可用于计算的时间。

2、出于上述限制，vtol无人机的轨迹规划难度较大。现有的一种解决的方法是采用数值迭代，通过不断求解微分方程为vtol无人机设计过渡轨迹，使其满足动力学约束。但存在计算量大，难以实时部署的缺陷。另一种解决的方法是基于轨迹库的设计方法，轨迹库内包括两种轨迹:轨迹基元与机动自动机，分别用于平衡态的轨迹描述和连接运动基元的机动动作。但需要提前针对不同vtol无人机设计不同轨迹库，较为复杂。

技术实现思路

1、本发明为了解决以上现有技术存在的不足与缺陷的问题，提供了一种垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其能生成多种轨迹，且计算时间短，算力要求低，易于实现与部署。

2、为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：

3、一种垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，所述的方法包括步骤如下：

4、根据垂直起降无人机的工作模态，分别建立对应的垂直起降无人机的微分平坦模型；

5、初始化垂直起降无人机群的轨迹生成参数；

6、根据初始化的轨迹生成参数，采用聚类算法确定无人机群任务规划结果与聚类中心；

7、根据初始化的轨迹生成参数及聚类中心确定矢量圈半径与矢量圈位点；

8、建立包括轨迹末端时间与控制代价的代价函数，使得在满足约束条件下，控制代价最小以及飞行时间最短；根据代价函数得到最优代价函数；

9、根据轨迹计算公式，结合初端约束与末端约束得到最优轨迹生成矩阵；

10、在不同工作模态下，结合初端约束、巡航速度与矢量圈半径，或结合矢量圈位点与无人机群任务规划结果，或结合无人机的最后任务巡航点与每个无人机的降落点坐标，得到相应工作模态下的最优轨迹生成矩阵；

11、将得到相应工作模态下的最优轨迹生成矩阵代入最优代价函数，利用黄金分割法得到相应工作模态下的轨迹过渡时间；将轨迹过渡时间输入轨迹计算公式，生成相应工作模态下的轨迹；

12、检查生成的轨迹是否满足相应工作模态下的约束条件，若不满足重新计算轨迹，若满足，则计算结束。

13、本发明的有益效果如下：

14、本发明主要针对在多任务空间限制下的vtol无人机的轨迹生成展开研究，提出了一种适用于不同模态的轨迹生成方法。该方法通过构建两点边界最优控制问题，以轨迹的控制代价与轨迹末端时间为优化目标，导出线性复杂度的解析解，生成多种轨迹并基于不同约束条件迅速验证其可行性，所提方法计算时间短，算力要求低，易于实现与部署。

15、本发明考虑现有垂直起降无人机，如平行翼，x形翼以及一字翼垂直起降等都可以采用本发明生成各模态约束。

16、本发明考虑垂直起降无人机执行任务的多模态约束，包括转巡航过渡模态，盘旋模态，转降落过渡模态，可生成一个执行完整任务的集群vtol无人机轨迹。

17、本发明的轨迹生成算法根据不同参数的目标函数，其包括轨迹跟踪控制代价与轨迹跟踪所需时间，可以同时满足轨迹末端时间、控制代价以及轨迹平滑度的要求，且轨迹生成无需求解运动学微分方程，求解时间短。

技术特征：

1.一种垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：所述的方法包括步骤如下：

2.根据权利要求1所述的垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：所述垂直起降无人机的工作模态包括转巡航过渡模态、盘旋模态以及转降落过渡模态；

3.根据权利要求1所述的垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：所述初始化垂直起降无人机群的轨迹生成参数，具体包括：

4.根据权利要求2所述的垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：所述根据初始化的轨迹生成参数，采用聚类算法确定无人机群任务规划结果与聚类中心，具体如下：

5.根据权利要求4所述的垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：所述根据初始化的轨迹生成参数及聚类中心确定矢量圈半径与矢量圈位点，具体如下：

6.根据权利要求5所述的垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：建立最优代价函数，具体如下：

7.根据权利要求6所述的垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：所述根据轨迹计算公式，结合初端约束与末端约束得到最优轨迹生成矩阵，具体如下：

8.根据权利要求7所述的垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：生成转巡航过渡模态下的轨迹，具体如下：

9.根据权利要求7所述的垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：生成盘旋模态下的轨迹，具体如下：

10.根据权利要求7所述的垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，其特征在于：生成转降落过渡模态下的轨迹，具体如下：

技术总结
本发明提供了一种垂直起降无人机群多模态轨迹生成方法，如下：建立各个工作模态对应的垂直起降无人机的微分平坦模型；初始化轨迹生成参数；确定无人机群任务规划结果与聚类中心；确定矢量圈半径与矢量圈位点；构建最优代价函数；得到最优轨迹生成矩阵；计算相应工作模态下的最优轨迹生成矩阵；将得到相应工作模态下的最优轨迹生成矩阵代入最优代价函数，得到相应工作模态下的轨迹过渡时间；将轨迹过渡时间输入轨迹计算公式，生成轨迹；检查生成的轨迹是否满足相应工作模态下的约束条件。本发明以轨迹的控制代价与轨迹末端时间为优化目标，生成多种轨迹并基于不同约束条件验证其可行性，其计算时间短，算力低，易于实现与部署。

技术研发人员：王宏波,章广梅,王均春,朱威禹,胡森,汪胜,刘师师
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第七研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15