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申请/专利权人：电子科技大学

摘要：本发明公开了一种基于多维人工势场算法的无人蜂群编队控制方法，属于无人机编队控制技术领域。所述方法包括计算当前无人机与其他三跳内邻居无人机间的距离；计算当前无人机与障碍物间的距离；计算当前无人机三跳内的无人机平均速度和平均位置；计算当前无人机在安全维度下的无人机排斥势场、障碍物排斥势场的加速度，编队控制维度下的航向保持势场、聚集势场和目标势场的加速度，网络性能维度下的链路时延势场和拓扑维持势场的加速度，加速度求和作为下一时刻加速度，使多个无人机形成无人蜂群进行编队控制。本发明考虑了通信方面的因素，通过链路时延势场，保证业务传输时延，满足业务传输需求，并通过拓扑维持势场，维持了相对稳定的通信拓扑。

主权项：1.一种基于多维人工势场算法的无人蜂群编队控制方法，其特征在于，应用场景为：多个无人机形成无人蜂群，各无人机需要从各自初始位置向各自目标位置飞行；应用场景中存在多个障碍物；无人机间相互通信，组成无人机自组网；飞行过程中，存在多个业务；无人蜂群编队控制包括以下步骤：S1、计算当前无人机与其他三跳内邻居无人机间的距离；S2、计算当前无人机与障碍物间的距离，若存在两个障碍物交叠或中间无法通过无人机，将这些障碍物合成为一个虚拟障碍物；S3、计算当前无人机三跳内的无人机平均速度和平均位置；S4、基于步骤S1、S2、S3各自步骤的处理结果，分别计算当前无人机在安全维度下的无人机排斥势场、障碍物排斥势场形成的加速度，编队控制维度下的航向保持势场、聚集势场和目标势场形成的加速度，网络性能维度下的链路时延势场和拓扑维持势场形成的加速度，将这些加速度求和作为当前无人机的下一时刻加速度；从而控制无人机飞行，进而使多个无人机形成无人蜂群进行编队控制；具体地，当前无人机在无人机排斥势场形成的加速度，计算过程为：定义无人机排斥势场势能函数为： 其中，为无人机i与无人机j间的无人机排斥势场势能函数： 其中，Ni为无人机i的三跳内邻居数量，wsepa为无人机排斥势场增益，di,j为无人机i与无人机j间距离，di,goal为无人机i与目的地距离，di,ach为无人机i与最近的通信群首无人机的距离，β为目标吸引参数，dsafe为相对安全距离；则计算的加速度为： 其中，为求取梯度运算符号；当前无人机在障碍物排斥势场形成的加速度，计算过程为：定义障碍物排斥势场势能函数为： 其中，wobs为障碍物排斥势场增益，Nobs为障碍物数量，为无人机i与障碍物k的障碍物排斥势场势能函数： 其中，di,k为无人机i与障碍物k中轴线距离，zi为无人机i的高度，为zi高度下，障碍物k的平切面半径，dsafe为无人机i与障碍物k相对安全距离，Hk为障碍物高度，aup为引导无人机向上升高的势场加速度，为引导无人机平飞远离障碍物的势能函数： 其中，di,goal为无人机i与目的地距离，di,ach为无人机i与最近的通信群首无人机的距离，β为目标吸引参数；则计算的加速度为： 其中，为求取梯度运算符号；当前无人机在航向保持势场形成的加速度，计算过程为：定义航向保持势场势能函数如下： 其中，||·||表示模二运算，walign为航向保持势场增益，vi为无人机i的速度，为无人机i三跳以内无人机的平均速度；则计算的加速度为： 其中，为求取梯度运算符号；当前无人机在聚集势场形成的加速度，计算过程为：定义聚集势场势能函数如下： 其中，||·||表示模二运算，waggre为聚集势场增益，pi为无人机i的位置，为无人机i三跳以内无人机的平均位置，当无人机i到平均位置的距离大于平均位置距离阈值daggre,max时，聚集势场生效；则计算的加速度为： 其中，为求取梯度运算符号；当前无人机在目标势场形成的加速度，计算过程为：定义目标势场势能函数如下： 其中，wgoal,p与wgoal,v为目标势场增益，di,goal为无人机i与目的地距离，vi为无人机i的速度；只有当无人机靠近目的地，即无人机与目的地的距离小于时，amax为无人机最大加速度，wgoal,v大于0，否则wgoal,v取值为0；同时，为了防止无人机离目标距离太远导致目标势场计算出的加速度过大，设置对应最大目标势场加速度agoal,max，当计算出的对应加速度过大时，进行归一化处理： 其中，为求取梯度运算符号，||·||表示模二运算；当前无人机在链路时延势场形成的加速度，计算过程为：定义链路时延势场势能函数为： 其中，wtask表示链路时延势场增益，Ni为无人机i的三跳内邻居数量；当无人机i和无人机j有业务流报文时，μi,j取值为1；当无人机i和无人机j没有业务流报文时，μi,j取值为0，链路时延势场引导两者相互远离： wrep和wattr分别为链路时延势场中的斥力和吸力增益，ti,j一个报文从无人机i到无人机j的传输时延；则计算的加速度为： 其中，为求取梯度运算符号；当前无人机在拓扑维持势场形成的加速度，计算过程为：定义拓扑维持势场势能函数为： 对于非通信群首无人机，拓扑维持势场定义为： 其中，wcom为拓扑维持势场增益，pi为无人机i的位置，Rc为通信半径，当某个无人机与当前无人机的距离小于等于Rc，则称该无人机为当前无人机的一跳邻居；pach为三跳内最近通信群首无人机的位置，pnch为处于三跳内，且是某个通信群首无人机三跳内邻居的最近的无人机位置；对于通信群首无人机，拓扑维持势场定义为： 其中，pi为无人机i的位置，为三跳内最近的离群通信群首无人机的位置，为三跳内所有其他通信群首无人机的平均位置；则计算的加速度为： 其中，为求取梯度运算符号。

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