一种圆形无人机编队的调整方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种圆形无人机编队的调整方法。

背景技术

相对于多个无人机而言，无人机编队因具有较高的工作效率，而被广泛的应用于军事和民用领域。然而对于具有特殊任务要求的无人机编队，往往需要在特殊的情况下进行队形变换，否则将不能完成相应的任务，所以研究无人机编队队形的调整具有非常重要的意义；无人机编队通常应用于应急救援领域，通过无人机编队上的高清视频采集设备进行快速、大范围的情况侦查，及时将现场情况传回指挥部，使指挥部能准确的掌握现场情况。

目前无人机的空间定位方式主要通过全球定位系统实现(如GPS系统和北斗系统)，以此得到无人机的位置信息；该方法的缺点在于定位精度不高，这是因为卫星离地面较远，信号强度低；而且传输频率等技术指标都是公开数据，所以非常容易被外界干扰，(比如复杂的电磁环境、噪声等)，会影响无人机的定位，使无人机集群在队形变换时，实际队形和期望队形发生偏差。

发明内容

本发明的目的是提供一种圆形无人机编队的调整方法，解决现有技术中无人机空间定位方式因容易受干扰，而会影响无人机的定位，使无人机集群在队形变换时，实际队形和期望队形发生偏差的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：

一种圆形无人机编队的调整方法，包括多个集群无人机和多个定位无人机；多个集群无人机用于监测目标区域，多个定位无人机用于给无人机编队定位；其中一个定位无人机位于无人机编队的圆心位置；其余定位无人机和所有集群无人机，绕圆心处的定位无人机，周向均匀的分布在圆形队形的相应位置；所有无人机均处于同一高度；当无人机队形需要调整时，通过如下步骤实现：

步骤1、圆心处的定位无人机，获得需要调整的圆形无人机编队的期望队形；

根据蒙特卡洛法获得期望队形上，每个集群无人机允许偏差的位置范围；

步骤2、圆心处的定位无人机，向圆周上的定位无人机发出飞行指令和与之对应的目的坐标；使圆周上的定位无人机飞向目的坐标，处于期望队形上无偏差的相应位置；

步骤3、圆心处的定位无人机，根据圆周上的定位无人机，计算出每个集群无人机的当前坐标；

步骤4、圆心处的定位无人机，向每个集群无人机发送与之对应的当前坐标，和在期望队形上允许偏差的位置范围；

步骤5、每个集群无人机根据其自身的实际坐标，向期望队形上允许偏差的位置范围移动，完成无人机编队的调整；

步骤6、设无人机编队的调整时间为T，T秒后，圆心处的定位无人机，再次计算每个集群无人机的当前坐标；当相应集群无人机的当前坐标未处于允许偏差的位置范围时，则向相应的集群无人机发送与之对应的当前坐标和飞行指令，继续调整该集群无人机的位置，直至其处于允许偏差的位置范围。

本发明通过圆心无人机，计算出所有集群无人机的实际坐标；通过蒙特卡洛法计算出期望队形上，每个集群无人机所允许偏差的位置范围；使每个集群无人机根据其自身的实际坐标，向期望队形上允许偏差的位置范围移动，以此完成纠偏；所以每个集群无人机可以根据其自身接收的数据，进行飞行位置的调整；因此本发明的方法不需要连续且长时间的信号传递，就能完成队形变换，克服了空间定位方式因定位不准，而导致无人机集群在队形变换时，实际队形和期望队形发生偏差的弊端。

由于集群无人机所允许偏差的位置范围，由蒙特卡洛法求得；所以当调整无人机队形时，操控者可以根据任务的性质，设置合理的且允许偏差的位置范围；使无人机编队能够高效、实用的完成相应的任务。

进一步的是，定位无人机的数量为3个，每个定位无人机上均安装有GPS接收器；每个定位无人机上均安装有摄像机，每个摄像机通过摄像机云台安装在相应的定位无人机上；摄像机云台通过电机驱动，能够使摄像机实现360°旋转；电机的输出轴上安装有角度传感器，用于监测摄像机的旋转角度，角度传感器和相应定位无人机的控制器电性连接。

在计算集群无人机的实际坐标时，至少需要3个定位无人机，才能计算出集群无人机的实际坐标；所以出于经济性的考虑设置3个定位无人机，一个设置在圆形队形的圆心位置，两个位于圆形队形的圆周上。

进一步的是，圆心处的定位无人机，计算集群无人机实际坐标的方法包括：

步骤3.1、建立平面直角坐标系XOY，坐标原点O处的世界坐标由GPS接收器获得，所有无人机均位于平面直角坐标系的第一象限；圆心处定位无人机和圆周上的两个定位无人机所处的位置坐标，由与之对应的GPS接收器获得，然后将上述位置坐标转化为平面直角坐标系XOY上关于坐标原点的相对坐标；圆心处定位无人机的相对坐标，记为B(x

步骤3.2、设需要计算坐标的集群无人机，所处的相对坐标为D(x

步骤3.3、计算圆M的半径和圆N的半径；

步骤3.4、计算点M(x

步骤3.5、计算MN的长度，计算MN和SG的斜率；

记MN的斜率为k

步骤3.6、计算E点坐标(x

式中：

步骤3.7、计算点G(x

式中：GE

步骤3.8、排除点G(x

步骤3.9、引入第三个角的信息确定唯一的D点坐标；

设cos∠ADC＝q，∠ADC＝α°+β°；

点D的可能坐标D

当q＝w时，相应D

步骤3.10、重复步骤3.2至步骤3.9，计算下一个集群无人机的相对坐标D(x

现有技术中空间定位方式的信号传输，容易被干扰，因此无人机集群在队形变换时，实际队形和期望队形会发生偏差；而本发明的定位方法在实施时，圆心定位无人机处于相对静止状态；每个集群无人机可以根据自身的实际坐标，向允许偏差的位置范围加速移动；所以不需要长时间、连续的接收信号，只要将相应的数据传输给集群无人机，集群无人机自身就可以向相应位置移动。

进一步的是，由蒙特卡洛法，获得集群无人机允许偏差的位置范围的方法包括：

步骤1.1、建立平面直角坐标系X′O′Y′，坐标原点位于圆形期望队形的圆心位置，X′轴的正半轴经过圆周上一个定位无人机所处的坐标点，Y′轴的正半轴位于X′轴的左侧；

设无人机编队圆形期望队形的半径为R；无人机的数量为d，d为偶数；

圆周上两个定位无人机，其中一个位于X轴的正半轴上该位置记为点H(R，0)；另一个定位无人机位于圆形期望队形上其他任意位置；

对圆周上的无人机进行编号，位于X轴正半轴上定位无人机的编号为0，然后逆时针对圆周上的其他无人机依次进行编号，即1、2、3、……；

步骤1.2、计算集群无人机无偏差的处于期望队形上的位置坐标，设编号为e的集群无人机，无偏差时的位置坐标为J(x

步骤1.3、有一个长为f的正方形点阵，该点阵的中心位置处的点与点J重合，点阵中的点记为O(x

在该点阵中，以点J为坐标原点，建立平面直角坐标系X′’O′’Y′’，O′’点右侧为X′’轴的正半轴，O′’点上侧为Y′’轴的正半轴，设点O在该坐标系中的坐标为(i，j)；

步骤1.4、设O

步骤1.5、计算∠HJB的值，记为θ

步骤1.6、设∠HOB的值为θ

根据余弦定理的：

式中

步骤1.7、然后计算cosθ

步骤1.8、然后重复步骤1.4至1.7，对点阵中所有点进行判断，将允许偏差的点O

步骤1.9、然后计算下一个集群无人机允许偏差的位置范围，设下一个集群无人机的编号为e；重复步骤1.2至步骤1.8，直至得出所有集群无人机允许偏差的位置范围。

通过蒙特卡洛法，获得集群无人机允许偏差的位置范围，为集群无人机的移动提供方向；使本发明不用连续、长时间的向集群无人机发送信号，就可以进行队形调整；所以可以避免信号传递过程中易受外界干扰的问题；同时可以根据要执行任务的性质，选择合适的位置范围，使无人机编队能够高效、实用的完成相应的任务。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过圆心无人机，计算出所有集群无人机的实际坐标；通过蒙特卡洛法计算出期望队形上，每个集群无人机所允许偏差的位置范围；使每个集群无人机根据其自身的实际坐标，向期望队形上允许偏差的位置范围移动，以此完成纠偏；所以每个集群无人机可以根据其自身接收的数据，进行飞行位置的调整；因此本发明的方法不需要连续且长时间的信号传递，就能完成队形变换，克服了空间定位方式因定位不准，而导致无人机集群在队形变换时，实际队形和期望队形发生偏差的弊端。

2、由于集群无人机所允许偏差的位置范围，由蒙特卡洛法求得；所以当调整无人机队形时，操控者可以根据任务的性质，设置合理的且允许偏差的位置范围；使无人机编队能够高效、实用的完成相应的任务。

附图说明

图1显示了计算D点实际坐标时，作外接圆M和外接圆N的示意图。

图2显示了计算D点实际坐标时，点G和点S的位置关系示意图。

图3显示了根据蒙特卡洛法，计算集群无人机允许偏差的位置范围的示意图。

图4显示了实施例三中，进行实际检验时，各无人机经过调整之后，与其目标位置的距离偏差表。

图5显示了实施例三中，进行实际检验时，各无人机经过调整之后，与其目标位置的角度偏差表。

图6显示了无人机编队调整方法的流程图。

图7显示了计算集群无人机实际坐标的方法流程图。

图8显示了根据蒙特卡洛法，获得集群无人机允许偏差的位置范围流程图。

具体实施方式

下面给出发明的具体实施方法，并结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图6所示，一种圆形无人机编队的调整方法，包括7个集群无人机和3个定位无人机；7个集群无人机用于监测目标区域，3个定位无人机用于给无人机编队定位；其中一个定位无人机位于无人机编队的圆心位置；其余定位无人机和所有集群无人机，绕圆心处的定位无人机，周向均匀的分布在圆形队形的相应位置；所有无人机均处于同一高度；当无人机队形需要调整时，通过如下步骤实现：

步骤1、圆心处的定位无人机，获得需要调整的圆形无人机编队的期望队形；

根据蒙特卡洛法获得期望队形上，每个集群无人机允许偏差的位置范围；

在本实施例中，圆心处的定位无人机，在获得期望队形的同时，还获得了每个集群无人机所允许偏差的位置范围。

步骤2、圆心处的定位无人机，向圆周上的定位无人机发出飞行指令和与之对应的目的坐标；使圆周上的定位无人机飞向目的坐标，处于期望队形上无偏差的相应位置；

在本实施例中，圆周上定位无人机的调节方法为现有技术，即利用全球定位系统确定其实际坐标，同时还发送了目的坐标，然后使其向无偏差的相应位置移动即可。

步骤3、圆心处的定位无人机，根据圆周上的定位无人机，计算出每个集群无人机的当前坐标；

步骤4、圆心处的定位无人机，向每个集群无人机发送与之对应的当前坐标，和在期望队形上允许偏差的位置范围；

步骤5、每个集群无人机根据其自身的实际坐标，向期望队形上允许偏差的位置范围移动，完成无人机编队的调整；

在本实施例中，每个集群无人机在允许偏差的位置范围中，随机选择一个坐标点，作为目的坐标，使集群无人机根据其当前坐标向目的坐标移动。

步骤6、设无人机编队的调整时间为T，T分钟后，圆心处的定位无人机，再次计算每个集群无人机的当前坐标；当相应集群无人机的当前坐标未处于允许偏差的位置范围时，则向相应的集群无人机发送与之对应的当前坐标和飞行指令，继续调整该集群无人机的位置，直至其处于允许偏差的位置范围。

实施例二：

如图7所示，圆心处的定位无人机，计算集群无人机实际坐标的方法包括：

步骤3.1、建立平面直角坐标系XOY，坐标原点O处的世界坐标由GPS接收器获得，所有无人机均位于平面直角坐标系的第一象限；圆心处定位无人机和圆周上的两个定位无人机所处的位置坐标，由与之对应的GPS接收器获得，然后将上述位置坐标转化为平面直角坐标系XOY上关于坐标原点的相对坐标；

如图1所示，圆心处定位无人机的相对坐标，记为B(x

在本实施例中，无人机编队在平面直角坐标系XOY的第一象限飞行。

在本实施例中，A和C处无人机位于B处无人机的两侧，三者不在同一直线上，且点A和点C的纵坐标均大于B点的纵坐标。

在本实施例中，A、B和C处三架无人机上，均安装有摄像机，摄像机通过摄像机云台安装在无人机上，摄像机云台由电机驱动，实现摄像机云台360°旋转，电机的输出轴上安装有角度传感器，用于监测摄像机云台的转动角度，角度传感器和相应无人机的控制器电性连接。

比如，获得∠ADB的角度时，首先使A处无人机的摄像机先对准B处的无人机，然后使该摄像头向D处的无人机转动，直至该摄像机对准D处的无人机，转轴转动的角度，即为∠DAB的角度，同理利用B处无人机的摄像头，得到∠ABD的角度，由于三角形内角和为180°，所以得到∠ADB的角度；利用同样的方法可以得到∠BDC的角度。

步骤3.2、设需要计算坐标的集群无人机，所处的相对坐标为D(x

如图2所示，符合∠ADB＝α°的点D所确定的圆有两种情况，其圆心分别位于A、B的垂直平分线上AB线段的两侧，两个圆分别记为圆M

在本实施例中，由于圆M存在两种可能，即圆M

步骤3.3、计算圆M的半径和圆N的半径；

步骤3.4、计算点M(x

在本实施例中，M

步骤3.5、计算MN的长度，计算MN和SG的斜率；

记MN的斜率为k

步骤3.6、计算E点坐标(x

式中：

步骤3.7、计算点G(x

式中：GE

在本实施例中，上述计算公式应用在圆M

步骤3.8、排除点G(x

步骤3.9、引入第三个角的信息确定唯一的D点坐标；

设cos∠ADC＝q，∠ADC＝α°+β°；

点D的可能坐标D

当q＝w时，相应D

步骤3.10、重复步骤3.2至步骤3.9，计算下一个集群无人机的相对坐标D(x

实施例三：

如图3和图8所示，由蒙特卡洛法，获得集群无人机允许偏差的位置范围的方法包括：

步骤1.1、建立平面直角坐标系X′O′Y′，坐标原点位于圆形期望队形的圆心位置，X′轴的正半轴经过圆周上一个定位无人机所处的坐标点，Y′轴的正半轴位于X′轴的左侧；

在本实施例中，在本实施例中，X′轴正半轴和X轴正半轴的方向相同，Y′轴正半轴和Y轴正半轴的方向相同。

如图3所示，无人机编队圆形期望队形的半径为100；无人机的数量为10；

圆周上两个定位无人机，其中一个位于X轴的正半轴上该位置记为点H(100，0)，另一个定位无人机位于圆形期望队形上其他任意位置；

对圆周上的无人机进行编号，位于X轴正半轴上定位无人机的编号为0，然后逆时针对圆周上的其他无人机依次进行编号，即1、2、3、……；

步骤1.2、计算集群无人机无偏差的处于期望队形上的位置坐标，设编号为e的集群无人机，无偏差时的位置坐标为J(x

步骤1.3、有一个长为f＝12的正方形点阵，该点阵的中心位置处的点与点J重合，点阵中的点记为O(x

在该点阵中，以点J为坐标原点，建立平面直角坐标系X′’O′’Y′’，O′’点右侧为X′’轴的正半轴，O′’点上侧为Y′’轴的正半轴，设点O在该坐标系中的坐标为(i，j)；

在本实施例中，X′’轴正半轴和X′轴正半轴的方向相同，Y′’轴正半轴和Y′轴正半轴的方向相同。

步骤1.4、设O

步骤1.5、计算∠HJB的值，记为θ

θ

步骤1.6、设∠HOB的值为θ

根据余弦定理的：

式中

步骤1.7、然后计算cosθ

步骤1.8、然后重复步骤1.4至1.7，对点阵中所有点进行判断，将允许偏差的点O

步骤1.9、然后计算下一个集群无人机允许偏差的位置范围，设下一个集群无人机的编号为e；重复步骤1.2至步骤1.8，直至得出所有集群无人机允许偏差的位置范围。

在本实施例中，集合X中的点位于平面直角坐标系X′O′Y′中，坐标原点O′位于圆形期望队形的圆心位置；坐标原点O′在平面直角坐标系XOY中的坐标点为B(x

本发明的无人机编队在进行调整之前，所有无人机的飞行速度不再变化，处于相对静止的状态；进行调整时，圆心处定位无人机的飞行速度不变，圆周上的两个定位无人机加速，向期望队形上，对应位置移动；然后根据上述方法，确定所有集群无人机的实际坐标；相应集群无人机得到允许偏差的位置范围和自身的实际坐标后，开始加速向相应的位置范围移动，完成纠偏；无人机变换队形后，圆心处的定位无人机根据上述方法对每个集群无人机进行定位，检查每个集群无人机是否完成调整；若未完成调整，则对相应的集群无人机，发送对应的实际坐标和允许偏差的位置范围，进行再一次调整，直至完成纠偏；若完成调整后，整个无人机编队可以一同加速或转弯一起向目标区域移动。

通过使用上述实施例的方法，进行实际检验；检验时，无人机编队处于开阔地带，全球定位系统能够实现准确及时的进行信号传递，即信号传递不受外界干扰，圆形无人机编队期望队形的半径为100米，共10架无人机，10架无人机初始时存在偏差，且10架无人机上均安装有GPS接收器；

使7架无人机通过本发明的方法进行调整，均匀分布在圆周上后，然后通过现有技术中全球定位系统进行定位，测出实际队形和期望队形的偏差。

如图4和图5所示，可以看出，各无人机经过调整之后，与其目标位置的距离偏差均不超过0.01米(图3中JO的距离)；角度偏差最大约为3°(即图3中θ

本发明中，定位无人机中安装有GPS接收器、飞行控制器、陀螺仪、磁罗盘等，集群无人机上可以不用安装GPS接收器，一方面可以降低成本，另一方面只需要定位无人机发送信号，其余集群无人机被动接受信号，就能调整编队的位置，避免外界环境干扰无人机编队的调整。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。