无人机编队控制方法、可读存储介质、设备及无人机与流程

本发明涉及无人机控制领域，特别是涉及无人机编队控制方法、可读存储介质、控制设备及无人机。

背景技术：

无人机具有体积小、重量轻、机动性高、隐蔽性强、造价低和无人员伤亡等特点，在商业领域以及军事领域都有着非常广阔的应用前景。随着无人机应用的不断扩张、使用要求的不断提高，一次仅使用一架无人机在载荷、续航上难以符合要求，而同时使用多架无人机组建无人机编队则可以有效的解决载荷、续航的问题并具备诸多优点。例如，多架固定翼无人机通过特定的编队飞行可以有效增加载荷，并通过降低飞行阻力的方式延长飞行时间。再如，在军事领域，多个携带通讯中继站的无人机通过保持编队队形，可以对地面上的多个雷达站发出的无线电波进行截获、干扰和欺骗，从而使雷达无法侦察到真实的目标。因此，同时使用多架无人机组建无人机编队并采用无人机分布式控制方法协作执行任务成为必然的发展方向。

传统的无人机分布式编队控制方法的分布式编队的队形是预先指定的简单队形或者采用时不变的队形，并且仅支持一个或两个邻居无人机。因此，传统的无人机编队控制方法的精确性较低。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的无人机编队控制方法的精确性较低问题，提供一种无人机编队控制方法、可读存储介质、控制设备及无人机。

一种无人机编队控制方法，其中，所述方法包括：

获取目标无人机的目标编队信息；

获取在地面惯性坐标系下的目标无人机的当前编队信息；

接收邻居无人机发送的邻居编队差值信息；

根据所述目标编队信息、所述当前编队信息和所述邻居编队差值信息，计算目标无人机的期望加速度；

根据所述期望加速度调整目标无人机至目标位置和目标速度。

上述无人机编队控制方法，通过目标编队信息，当前编队信息以及邻居编队差值信息调整期望加速度，由于能根据时变的目标编队信息以及邻居编队差值信息调整期望加速度，使得无人机能更加精确地控制在编队中的位置信息及速度信息。

作为一种实施例，其中，所述接收邻居无人机发送的邻居编队差值信息的步骤包括：

获取与所述目标无人机位于同一编队的邻居无人机的邻居编队差值信息，所述邻居无人机包括在同一编队中与目标无人机在通信拓扑上具有相邻关系的无人机。

作为一种实施例，其中，在读取目标编队信息的步骤之前，所述方法还包括：

接收并存储地面站发送的所述目标无人机的目标编队信息，所述目标编队信息包括目标无人机的自身编队位置信息和自身编队速度信息。

作为一种实施例，其中，所述无人机编队的当前编队信息包括无人机编队的当前位置信息和当前速度信息；

所述邻居编队差值信息包括邻居编队位置差值信息和邻居编队速度差值信息。

作为一种实施例，其中，在获取目标无人机的目标编队信息的步骤之前，所述方法还包括：

以最小生成树的方式构建无人机之间的通信链路。

作为一种实施例，其中，所述根据所述同一编队的目标编队信息、所述当前编队信息和所述邻居无人机编队差值信息，计算期望加速度的步骤包括：

获取预先配置的优先级信息；

根据所述同一编队中的目标无人机的目标编队信息、所述当前编队信息、所述邻居编队差值信息以及所述优先级信息，利用基于增益-微分控制协议，计算期望加速度。

作为一种实施例，其中，所述根据所述同一编队的目标编队信息、所述当前编队信息和所述邻居无人机编队差值信息，计算期望加速度的步骤包括：

判断所述期望加速度是否大于预先配置的最大加速度；

若是，则将所述最大加速度设定为目标无人机的期望加速度。

一种可读存储介质，所述可读存储介质中包括计算机指令，其中，所述计算机指令在被处理器执行时实现上述任一项实施例中所述的方法。

上述可读存储介质，其中存储的计算机指令，通过目标编队信息，当前编队信息以及邻居编队差值信息调整期望加速度，由于能根据时变的目标编队信息以及邻居编队差值信息调整期望加速度，使得无人机能更加精确的控制在编队中的位置信息及速度信息。

一种无人机控制设备，所述无人机控制设备包括处理器、存储器以及存储在存储器中的计算机指令，其中，所述计算机指令在被所述处理器执行时实现上述任一项实施例中所述的方法。

上述无人机编队控制设备，通过目标编队信息，当前编队信息以及邻居编队差值信息调整期望加速度，由于能根据时变的目标编队信息以及邻居编队差值信息调整期望加速度，使得无人机能更加精确的控制在编队中的位置信息及速度信息。

一种无人机，其中，所述无人机包括如上述实施例所述的无人机控制设备、电源管理设备、传感器设备以及动力设备；

所述电源管理设备与所述控制设备、电源管理设备以及动力设备电连接；

所述控制设备与所述传感器设备、所述动力设备通信连接。

上述无人机，通过目标编队信息，当前编队信息以及邻居编队差值信息调整期望加速度，由于能根据时变的目标编队信息以及邻居编队差值信息调整期望加速度，使得无人机能更加精确地控制在编队中的位置信息及速度信息。

附图说明

图1为一个具体实施方式提供的无人机编队方法的应用场景图；

图2为一个具体实施方式提供的无人机编队的结果示意图；

图3为一个具体实施方式提供的无人机控制方法的流程图；

图4为一个具体实施方式提供的无人机控制方法的部分流程图；

图5为一个具体实施方式提供的无人机控制方法的部分流程图；

图6为另一个具体实施方式提供的无人机控制方法的流程图；

图7为一个具体实施方式提供的无人机的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1为一个实施例提供的无人机编队方法的应用场景图。图中包括地面站100以及无人机编队200，其中无人机编队由三架无人机编队而成，即无人机210，无人机220以及无人机230。地面站100首先向3架无人机发送与每个无人机自身相关的目标编队信息，无人机成功接收到目标编队信息后会向地面站返回确认信号，地面站收到所有无人机的确认信号之后，向所有无人机发送启动信号，无人机210、无人机220以及无人机230开始根据目标编队信息进行编队飞行。

进一步地，无人机210、无人机220以及无人机230在预设区域内飞行，并可以测量自己的位置向量和速度向量。更进一步地，所述预设区域为三维空间，而自身编队信息中的位置向量和速度向量指在三维空间中的位置向量和速度向量。再进一步地，无人机在三维空间内满足动力学模型，即：

其中，在上述公式中，xi,vi分别为第i架无人机在地面惯性坐标系下三维空间内的位置向量和速度向量；分别为第i架无人机在地面惯性坐标系下三维空间内的位置向量和速度向量的导数；ui为第i架无人机在地面惯性坐标系下三维空间内的加速度向量。又进一步地，所述无人机可以是轴距550mm的四旋翼无人机。

请参阅图2，图2为一个实施例提供的无人机编队的结果示意图。图中包括10架无人机组成的无人机编队。按照顺序对10架无人机进行编号，图中箭头指示方向为允许信息流动的方向。例如，编号5无人机可以向编号4无人机发送信息，但是编号4不可以向编号5无人机发送信息，又如，编号2无人机可以向编号3无人机发送信息，编号3无人机也可以向编号2无人机发送信息，再如，编号4无人机与编号3无人机之间不能相互发送信息。如果任意选定一个目标无人机，可以根据允许信息流动的方向确定所述目标无人机的邻居无人机，即选定的目标无人机可以接收其邻居无人机发送的信息。例如，对于编号4无人机，编号5无人机即为其邻居无人机。又如，编号2无人机与编号3无人机互为邻居无人机。

请参阅图3，图3为一个具体实施方式提供的无人机控制方法的流程图。

s310，读取目标无人机的目标编队信息。

具体地，所述地面站根据需求向无人机编队中的每个无人机发送与其对应的目标编队信息，而每个无人机的目标编队信息由地面站发送给无人机，所述目标编队信息包括目标编队位置信息以及目标编队速度信息。例如，在包括10架无人机的无人机编队中，第i架无人机(i＝1,2……10)的目标编队信息可以包括为：

目标编队位置信息：

hix＝[100cos(0.03t+(i-1)π/5),100sin(0.03t+(i-1)π/5),20+2sin(0.1t+(i-1)π/5)]；

目标编队速度信息：

hiv＝[-3sin(0.03t+(i-1)π/5),3cos(0.03t+(i-1)π/5),0.2cos(0.1t+(i-1)π/5)]。

可以理解，目标无人机的目标编队信息可以根据需求进行设定，即可以是时变的，也可以是非时变的。

s320，获取在地面惯性坐标系下的目标无人机的当前编队信息。

具体地，所述当前编队信息包括无人机当前的位置向量以及当前的速度向量。其中可以由内置的gps模块测得无人机在地面惯性坐标系下的水平位置并由激光雷达测距模块测量无人机的飞行高度，由所述水平位置和高度即可获得无人机在地面惯性坐标系下的位置向量xi(t)。由于无人机在三维空间内满足动力学方程，将位置向量xi(t)求导数即可获得速度向量将转置后的xi(t)，vi(t)用一个行向量进行表示，并将所述行向量再进行转置即可获得以列向量表示的所述当前编队信息即：

s330，接收邻居无人机发送的邻居编队差值信息。

具体地，接收邻居无人机发送的邻居编队差值信息，可以理解，所述每个无人机都有固定的邻居无人机，对于任意选定一个目标无人机，可以根据允许信息流动的方向确定所述无人机的邻居无人机，即无人机可以获取其邻居无人机发送来的信息。

所述邻居编队差值信息包括所述邻居无人机根据所述同一编队的邻居无人机当前编队信息和目标编队信息获取的邻居编队差值信息。

s340，根据所述目标编队信息、所述当前编队信息和所述邻居编队差值信息，计算期望加速度。

具体地，根据所述目标编队信息、当前编队信息以及邻居无人机发送的邻居编队差值信息，计算期望加速度。进一步地，通过分布式pd控制算法计算出无人机的期望加速度。更进一步地，所述期望加速度可以由下述公式计算获得：

其中，表示第i架无人机在地面惯性坐标系下三维空间内的当前编队信息，包括当前位置信息和当前速度信息；hi(t)表示编队队形中第i架无人机的目标编队信息，包括自身位置信息和自身速度信息；表示所述hi(t)的自身速度信息的导数，即期望的自身编队加速度；ni(t)表示当前时刻第i架无人机的所有邻居无人机的编号集合；wi,j(t)表示第i架无人机邻居无人机j对第i架无人机的作用强度；k1,k2是可以设计的控制器参数，但是k1,k2的选取受一定条件的约束，根据不同的性能指标要求，可以选择不同的k1,k2值；ui(t)表示第i架无人机在地面惯性坐标系下的期望加速度；为第i架无人机当前编队信息与编队队形中目标编队信息的差值；为第i架无人机的邻居无人机j向第i架无人机发送在地面惯性坐标系下的邻居编队差值信息。

s350，根据所述期望加速度调整飞行至目标位置和目标速度。

具体地，根据s340得到的期望加速度调整飞行速度，进而调整无人机的飞行速度以及飞行位置，使得无人机可以调整飞行至目标位置，从而根据目标编队信息保持和/或变换编队队形。无人机编队中的每个无人机通过计算各自的期望加速度，并按照期望加速度调整飞行速度以及飞行位置，使得整个无人机编队可以在达到稳态时形成满足一定物理条件的时变编队飞行。

上述无人机编队控制方法，通过目标编队信息，当前编队信息以及邻居编队差值信息调整期望加速度，由于能根据时变的目标编队信息以及邻居编队差值信息调整期望加速度，使得无人机能更加精确的控制在编队中的位置信息及速度信息。

作为一个具体实施例，其中，所述接收邻居无人机发送的邻居编队差值信息的步骤包括：

获取与所述目标无人机位于同一编队的邻居无人机的邻居编队差值信息，所述邻居无人机包括在同一编队中与目标无人机在通信拓扑上具有相邻关系的无人机。

具体地，无人机编队中的所有无人机都根据目标编队信息以及当前编队信息计算自身编队差值信息，并将自身编队差值信息发送给以其为邻居的无人机。可以理解，每个无人机同时也将接收它的邻居无人机的邻居编队差值信息。

作为一个实施例，其中，在读取目标编队信息的步骤之前，所述方法还包括：

接收并存储地面站发送的目标编队信息，所述目标编队信息包括目标编队位置信息和目标编队速度信息。

具体地，目标编队信息由地面站发送，并存储在对应的无人机中。在本实施例中，无人机只需在需要调整编队时与地面站进行通信连接，无需实时与地面站进行通信，从而降低了无人机的能耗，增加了无人机的续航能力。

更进一步地，地面站在向每个无人机发送目标编队信息时，仅发送对应无人机的目标编队信息。通过仅发送对应无人机的目标编队信息，从而减少地面站向各个无人机发送信息中的冗余信息，提高通信效率。

在一个具体实施例中，其中，在获取目标无人机的目标编队信息的步骤之前，所述方法还包括：

以最小生成树的方式构建无人机之间的通信链路。

具体地，最小生成树是指在一个n个结点的连通图中的最小连通子图，即包含所有的结点以及有保持图连通的最少的边。最小生成树可以用kruskal(克鲁斯卡尔)算法或prim(普里姆)算法求出。可以理解，符合最小生成树的编队互相连通所需通路最少，因此编队的整体开销最小。因此，在确定无人机的编队图形后，先以符合最小生成树的方式构建各个无人机与其邻居无人机之间的通信链路，使得整个无人机编队符合最小生成树。

请参阅图4，图4为一个具体实施例提供的无人机控制方法的部分流程图，其中，所述根据所述同一编队的目标编队信息、所述当前编队信息和所述邻居无人机编队差值信息，计算期望加速度的步骤包括：

s420，获取预先配置的优先级信息。

具体地，由于目标无人机可能会同时接收到邻居无人机以及地面站的信息，且无人机在获得当前编队信息后，会计算目标无人机当前编队信息与同一编队下的目标编队信息的差值，并将所述差值发送给其他无人机。此时，可以通过制定接收邻居无人机的信息、目标无人机向外发送信息以及接收地面站的信息的通信优先级，来确定首先进行上述三个信息的哪一个信息的收发。

进一步地，无人机接收地面站的信息被确定为最高通信优先级。

s440，根据所述同一编队的目标无人机的目标编队信息、所述目标无人机的当前编队信息、所述邻居编队差值信息以及所述优先级信息，利用基于增益-微分控制协议，计算期望加速度。

具体地，可以理解，由于无人机、邻居无人机以及地面站之间采取异步通信，为了更精确地计算期望加速度，可以指定目标无人机的目标编队信息、目标无人机的当前编队信息以及邻居无人机编队差值信息的值的使用优先级，可以根据步骤s440获取的优先级信息，根据使用优先级较高的值进行期望加速度计算。所述增益-微分控制(pd控制)是一种线性反馈控制协议。

请参阅图5，图5为一个具体实施例提供的无人机控制方法的部分流程图，其中，所述根据所述同一编队的自身编队信息、所述当前编队信息和所述邻居无人机编队差值信息，计算期望加速度的步骤包括：

s520，判断所述目标无人机的期望加速度是否大于预先配置的最大加速度。

具体地，根据无人机的性能以及具体需求，设定期望加速度的上限，即最大加速度。

s540，若是，则将所述最大加速度设定目标无人机的期望加速度。

具体地，如果期望加速度的值超过所述最大加速度，则重新设定新的期望加速度，可以直接将最大加速度作为新的加速度，也可以重新以某个指定比例减小期望加速度的值。可以理解，设定新的期望加速度的方式不限定本实施例的保护范围，只要能满足使新的期望加速度小于最大加速度即可。

请参阅图6，图6为一个具体实施例提供的无人机控制方法的流程图，其中，所述方法包括：

s620，读取目标无人机的目标编队信息。

具体地，所述地面站根据需求向无人机编队中的每个无人机发送与其对应的目标编队信息，而每个无人机的目标编队信息由地面站发送给无人机，所述目标编队信息包括目标编队位置信息以及目标编队速度信息。

s640，获取在地面惯性坐标系下目标无人机的当前编队信息。

具体地，与步骤s320获取在地面惯性坐标系下的目标编队信息类似。所述当前编队信息包括无人机当前的位置向量以及当前的速度向量。其中可以由内置的gps模块测得无人机在地面惯性坐标系下的水平位置并由激光雷达测距模块测量无人机的飞行高度，由所述水平位置和高度即可获得无人机在地面惯性坐标系下的位置向量xi(t)。由于无人机在三维空间内满足动力学方程，将向量xi(t)求导数即可获得将转置后的xi(t)，vi(t)用一个行向量进行表示，并将所述行向量再进行转置即可获得以列向量表示的所述当前编队信息即：

s660，根据所述目标编队信息和所述当前编队信息，计算目标无人机的自身编队差值信息。

具体地，设为第i架无人机当前编队信息，hi(t)为自身目标编队信息，则计算第i架无人机当前编队信息与自身目标编队信息的差值即获得自身编队差值信息。

s680，发送所述自身编队差值信息发送给以其为邻居的无人机。

具体地，将步骤s660获取的自身编队差值信息发送给以其为邻居的无人机，供接收到该信息的无人机计算期望加速度。

一种可读存储介质，所述可读存储介质中包括计算机指令，其中，所述计算机指令在被处理器执行时实现以上各实施例中所述的方法。

一种无人机控制设备，所述无人机控制设备包括处理器、存储器以及存储在存储器中的计算机指令，其中，所述计算机指令在被所述处理器执行时实现以上各实施例中所述的方法。

请参阅图7，图7为一个具体实施例提供的无人机的结构示意图。所述无人机包括如上述实施例提供的无人机控制设备710、电源管理设备730、传感器设备750以及动力设备770；

所述电源管理设备730与所述无人机控制设备710、传感器设备730以及动力设备770电连接；

所述控制设备710与所述传感器设备730、所述动力设备770通信连接。

具体地，电源管理设备750为所述无人机控制设备710、传感器设备730以及动力设备770提供能源支持。传感器设备730用于获取无人机的位置信息以及速度信息。无人机控制设备710用于控制无人机的飞行。动力设备用于根据控制设备设定的期望加速度调整动力输出，从而调整无人机的速度以及位置。

具体地，所述电源管理设备750与所述无人机控制设备710、传感器设备730以及动力设备770电连接。

具体地，所述无人机控制设备750通过传感器设备730获取无人机的速度信息、位置信息以及邻居差值信息，并计算出期望加速度，然后根据计算获得的期望加速度控制动力设备770，从而调整无人机的飞行。

进一步地，所述电源管理设备750包括电源模块以及多个电压转化模块，各个电压转化模块用于为无人机控制设备710、传感器设备730以及动力设备770提供不同的输入电压。各个电压转化模块一端与电源模块电连接，另一端连接无人机控制设备710、传感器设备730以及动力设备770的其中一种。

进一步地，所述传感器设备730包括gps模块、高度测量模块、惯性测量模块以及机群数据通信模块。更进一步地，所述高度测量模块可以采用激光雷达进行高度测距。

进一步地，所述动力设备770包括电机、电调以及桨叶。

在其中一个具体实施例中，所述无人机还可以包括无线通信设备。

具体地，无线通信设备通过组网实现点对点的通信，通过无线通信模块向邻居无人机发送在地面惯性坐标系下的自身差值信息，或者接收以其为邻居的其他无人机在地面惯性坐标系下的邻居差值信息，或者接收地面站的指令信息。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处

理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。