一种无人机编队控制器及其控制方法及装置

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，尤其涉及一种无人机编队控制器及其控制方法及装置。

背景技术

无人驾驶飞机，简称无人机。通过无人机在执行简单的空中任务时，可以通过地面站来对无人机进行遥控操作。单个无人机的功能有限，当无人机出现故障时，会造成任务的失败。为了提高任务执行的可靠性，通常会选择多个无人机，以编队的方式来执行任务。编队的无人机在执行复杂的空中任务方面具有很大的优势。因此，多无人机编队飞行具有更广阔的应用前景。如何保证组成编队的多架无人机所组成的系统的稳定性，成为亟需解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本申请实施例提供了一种无人机编队控制器及其控制方法及装置，能够提高无人机组成系统的稳定性。

第一方面，本申请实施例提供一种无人机编队控制方法，组成编队的无人机个数为n，n＞1，所述方法包括：获取无人机编队中各个无人机的第一飞行信息，所述第一飞行信息包括所述编队中的各个所述无人机的位姿信息；基于所述第一飞行信息，确定各个无人机的目标飞行数据，目标飞行数据包括目标升力与目标力矩，目标升力为用于指示所述无人机移动的力，目标力矩为用于指示所述无人机移动的方向；基于目标飞行数据，调整第一飞行信息。

在一些可能的实现方式中，所述确定各个无人机的目标飞行数据，包括：基于所述第一飞行信息，确定飞行误差，所述飞行误差包括速度误差；基于所述速度误差，确定所述目标升力。

在一些可能的实现方式中，所述飞行误差还包括姿态误差，确定各个无人机的目标飞行数据，还包括：基于所述姿态误差，确定所述目标力矩。

在一些可能的实现方式中，所述确定所述目标升力，根据如下公式进行：

式中，U

在一些可能的实现方式中，所述确定所述目标力矩，根据如下公式进行：

式中，Γ

在一些可能的实现方式中，所述无人机编队中的无人机的位置表示为：

式中，

在一些可能的实现方式中，所述无人机编队中的无人机的姿态表示为：

式中，q

在一些可能的实现方式中，所述速度误差为第j个无人机与所述无人机编队接收到的速度指令的差。

第二方面，本申请实施例提供一种无人机编队控制装置，包括：获取模块，用于获取无人机编队中各个无人机的第一飞行信息，所述第一飞行信息包括所述编队中的各个所述无人机的位姿信息；确定模块，用于基于所述第一飞行信息，确定各个无人机的目标飞行数据，目标飞行数据包括目标升力与目标力矩，目标升力为用于指示所述无人机移动的力，目标力矩为用于指示所述无人机移动的方向；调整模块，用于基于目标飞行数据，调整所述第一飞行信息。

第三方面，本申请实施例提供一种无人机编队控制器，包括如第二方面中所述的无人机编队控制装置。

本申请通过给无人机编队中的各个无人机设置一个目标升力与目标力矩，可以使得各个无人机可以按照编队的方式飞行，这样可以增强无人机完成任务的功能。同时，编队中的无人机的速度与设定的速度之间的误差会一直受到约束，这样可以提高无人机编队的性能，使得无人机编队在飞行时可以保持一个设定的队形，提高了无人机组成系统的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本申请实施例提供的一种无人机编队控制的方法示意图；

图2是本申请实施例提供的一种确定各个无人机的目标飞行数据的方法示意图；

图3是本申请实施例提供的一种无人机运行的示意图；

图4是本申请实施例提供的一种速度误差在x轴上变化的曲线图；

图5是本申请实施例提供的一种速度误差在y轴上变化的曲线图；

图6是本申请实施例提供的一种速度误差在z轴上变化的曲线图；

图7是本申请实施例提供的一种无人机编队控制装置的结构示意图；

图8是本申请实施例提供的一种无人机编队控制器的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

本文中术语“和/或”，是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本文中符号“/”表示关联对象是或者的关系，例如A/B表示A或者B。

本文中的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述对象的特定顺序。例如，第一响应消息和第二响应消息等是用于区别不同的响应消息，而不是用于描述响应消息的特定顺序。

在本申请实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或者两个以上，例如，多个处理单元是指两个或者两个以上的处理单元等；多个元件是指两个或者两个以上的元件等。

为便于对本申请实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。

首先，对本申请实施例中所涉及的技术术语进行介绍：

1.力矩，表示力对物体作用时所产生的转动效应的物理量。力和力臂的乘积叫做力对转动轴的力矩。即力对某一点的力矩的大小为该点到力的作用线所引垂线的长度(即力臂)乘以力的大小。

2.欠驱动，是指系统的独立控制变量个数小于系统自由度个数的一类非线性系统，即输入比要控制的量少的系统。

3.线性,指量与量之间按比例、成直线的关系,在空间和时间上代表规则和光滑的运动。

4.非线性，相对于线性来讲，非线性则指不按比例、不成直线的关系,代表不规则的运动和突变。

5.平动，是机械运动的一种特殊形式，是刚体的一种最基本的运动。运动物体上任意两点所连成的直线，在整个运动过程中，始终保持平行，这种运动叫做平动。

6.四元数，是指由一个实数和一个三维实矢量(向量)的组合。

接下来，对本申请实施例提供的技术方案进行介绍。

全自主飞行无人机(以下简称无人机)，无需人工介入，自动完成无人机飞行作业相关的所有流程，包括无人机飞行准备、无人机起飞、自动飞行导航、数据采集、自动返航、精准降落、数据传输等一系列操作。相比于单个无人机独自执行任务，多无人机组成的编队中的无人机之间可以互相进行信息交互，可以完成更高质量的任务。在本申请中，全自主飞行无人机以四旋翼无人机为例来对技术方案进行介绍。如无特殊说明，本申请中的无人机指四旋翼无人机。

虽然编队控制技术在自主移动机器人、多智能体等领域有广泛的研究，但是与简单的积分器模型相比，由于无人机具有非线性、欠驱动、强耦合等特性，这就使得无人机的控制器的分析与设计变得较为复杂，一些适用于自主移动机器人或多智能体的编队控制方法并不适用于无人机编队。此外，由于无人机编队中的各个无人机之间需要进行信息交互，那么整个无人机编队就要作为一个整体来考虑。

有鉴于此，本申请实施例提供一种无人机编队控制的方法，可以通过获取到无人机编队中的各个无人机的位姿信息，根据位姿信息对编队中的各个无人机设计目标升力和目标力矩，以实现多无人机组成的编队移动。本方法可以编队中各个无人机的跟踪精度，避免出现大的误差，在形成平稳编队的同时，可以提高各个无人机的跟踪精度。

示例性地，图1示出了本申请实施例提供的一种无人机编队控制的方法示意图。如图1所示，该方法可以包括如下步骤：

S101：获取无人机编队中各个无人机的第一飞行信息。其中，无人机个数为n，n＞1，第一飞行信息包括编队中的各个无人机的位姿信息。

在本实施例中，由n个无人机组成的无人机编队，在获取到无人机编队中的各个无人机的第一飞行信息后，就可以得到各个无人机的位姿信息。在获取无人机的位姿信息时，可以根据无人机中所携带的位置传感器、加速度计、陀螺仪等传感器，来获取无人机在当前时刻的飞行信息，例如当前时刻的位置坐标，加速度，速度等。

作为一种可能的实现方式，可以通过一个由n个顶点组成的无向图来描述无人机编队，每个顶点对应一个无人机。无向图可以为加权无向图，定义为

对于编队中的第j个无人机来讲，定义该无人机的本体坐标系为{B

由此，可以定义无人机编队的位置子系统Π1

式中，

无人机编队的姿态子系统Π2

式中，I

由惯性坐标系{E}到本体坐标系{B

式中，||·||表征欧几里得范数运算。

S102：确定各个无人机的目标飞行数据，目标飞行数据包括目标升力与目标力矩。

在本实施例中，在获取到无人机编队的飞行信息后，可以获取无人机编队下一时刻需要去往的目的位置。在无人机飞往该目的位置时，需要依靠去往该目的位置所需要的目标升力与目标力矩，即确定各个无人机的目标飞行数据。

作为一种可能的实现方式，图2示出了本申请实施例提供的一种确定各个无人机的目标飞行数据的方式示意图。如图2所示，确定各个无人机的目标飞行数据可以包括如下步骤：

S201：基于第一飞行信息，确定飞行误差。飞行误差可以包括速度误差。

在本实施例中，在得到无人机编队中的无人机的飞行信息后，可以得到当前时刻与下一个时刻之间的飞行误差。

具体的，可以定义无人机编队中的所有无人机的速度指令，记为v

在一些可能的实现方式中，飞行误差还可以包括姿态误差。

在本实施例中，为了保证编队中的无人机保持一定的位置，例如第j个无人机与第k个无人机保持1m的距离，还可以定义编队中任意两个无人机之间在时刻t时的相对位置向量，记为p

S202：基于飞行误差，确定目标飞行数据，目标飞行数据包括目标升力。

在本实施例中，在确定飞行误差后，可以根据速度误差来确定目标升力。目标升力为用于指示无人机以多大的力进行移动。在确定目标升力的过程中，引入虚拟控制律F的概念。虚拟控制律是一种控制系统设计方法，用于实现期望的系统响应。它是通过在控制系统中引入一个虚拟信号来改变系统的输入或输出，从而实现对系统的控制。虚拟控制律可以用于线性和非线性系统，以及连续和离散系统。虚拟控制律的基本原理是通过对系统状态进行估计或预测，设计一个虚拟信号来代替实际的控制信号。这个虚拟信号可以是根据系统模型计算得出的，也可以是经验或启发式的方法得到的。通过调整虚拟信号的值，可以改变系统的响应特性，使其接近期望的性能指标。设计虚拟控制律需要考虑系统的动态特性、稳定性、鲁棒性等因素，以及实际应用的要求。它可以提高系统的响应速度、稳定性和抗干扰能力，实现更好的控制效果。同时，虚拟控制律也为控制系统的设计和调节提供了更大的灵活性和可调性。

具体的，确定目标升力可以包括如下过程：

首先，定义第j个无人机的虚拟控制律F

式中，F

其次，对速度误差

式中，F

在该式中，函数f(Q

定义

通过解算该式，可得目标升力U

以及，变量η

在一些可能的实现方式中，在确定飞行误差后，可以根据姿态误差，来确定目标力矩。目标力矩为用来指示无人机的转动方向。

具体的，可以根据理想状态下的四元数，计算得到理想角速度ω

式中，S(q

通过式(2)与式(6)、式(7)，可计算得到姿态误差四元数，为

其中，

可得第j个无人机与理想角速度的误差

定义一个辅助变量

定义一个中间变量Ω(此变量只用于中间的计算过程，并无实际含义)，令

式中，

结合该中间变量Ω求导后的结果

式中，I

通过解算式(10)，可以得到目标力矩Γ

式中，α为一个常数，

S103：基于目标飞行数据，调整第一飞行信息。

在本实施例中，在得到目标升力与目标力矩后，可以使无人机编队中的各个无人机按照目标升力及目标力矩，进行飞行状态调整，即调整第一飞行信息

这样，通过给无人机编队中的各个无人机设置一个目标升力与目标力矩，可以使得各个无人机可以按照编队的方式飞行，这样可以增强无人机完成任务的功能。同时，编队中的无人机的速度与设定的速度之间的误差会一直受到约束，这样可以提高无人机编队的性能，使得无人机编队在飞行时可以保持一个设定的队形。

为了使得本申请实施例提供的无人机编队控制方法是有效的，可以对本申请提供的无人机编队的控制方法分别进行理论上的验证和物理上的验证。

在进行理论上的验证时，考虑到无人机编队中的无人机的位置子系统为∑1

v

v

v

证明过程如下。

建立障碍李雅普诺夫函数(barrier lyapunov function，BLF)V(t)，BLF函数可以保证一个系统在受约束的情况下稳定。令V(t)表示为

对V(t)进行求导，可得

由于无人机之间的通信为无向图，满足p

将该式代入到

结合式(4)、式(9)以及式(10)可得，

将虚拟控制律式(3)，辅助变量Ψ

在该式中，f(Q

/>

鉴于

以及

因此可知，

当ε＞0时，

/>

结合该式与式(12)，可知，

因此，可得

利用该式，将式(13)改写为

在该式中，

令

从而可以得到p

利用拉塞尔不变集理论，可知闭环系统是渐近趋于稳定的，即，当时间t→∞时，v

这样，在理论方面验证了本申请实施例提供的无人机编队控制方法的可行性。此外，本申请实施例还提供了无人机编队控制方法在物理上的可行性。

具体的，取n为4，即选择4个无人机来进行无人机编队控制方法的验证，由4个无人机组成编队。每个无人机的质量m

图3是本申请实施例提供的一种无人机运行的示意图，4个无人机的运行结果如图3所示。以实心正方形表示无人机1，以实心六角形表示无人机2，以实心三角形表示无人机3，以实心圆形表示无人机4。在初始时刻，五个无人机在坐标空间的位置如图所示，4个无人机的编队并不成形。在根据本申请实施例提供的控制方法，获取4个无人机在第4s，第8s，第12s，第16s，第20s的位置，可以看到经过一步一步的自主飞行后，可以保持一个正常的编队形态进行飞行。图4是本申请实施例提供的一种速度误差在x轴上变化的曲线图。图5是本申请实施例提供的一种速度误差在y轴上变化的曲线图。图6是本申请实施例提供的一种速度误差在z轴上变化的曲线图。如图4、图5、图6所示，在约束之内，4个无人机的速度误差在x、y、z轴方向上随着时间的推移逐渐趋于了0，也就是速度误差整体趋于了0。

这样，在物理方面验证了本申请实施例提供的无人机编队控制方法的可行性。

以上即是对本申请实施例提供的一种无人机编队控制方法的介绍。由上述各实施例可知，通过给无人机编队中的各个无人机设置一个目标升力与目标力矩，可以使得各个无人机可以按照编队的方式飞行，这样可以增强无人机完成任务的功能。同时，编队中的无人机的速度与设定的速度之间的误差会一直受到约束，这样可以提高无人机编队的性能，使得无人机编队在飞行时可以保持一个设定的队形，提高了无人机组成系统的稳定性。

可以理解的是，上述各个实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。此外，在一些可能的实现方式中，上述实施例中的各步骤可以根据实际情况选择性执行，可以部分执行，也可以全部执行，此处不做限定。本申请的任意实施例的任意特征的全部或部分在不矛盾的前提下，可以自由地、任何地组合。组合后的技术方案也在本申请的范围之内。

基于上述实施例中的方法，本申请实施例还提供一种无人机编队控制装置。图7示出了本申请实施例提供的一种无人机编队控制装置的结构示意图。如图7所示，该该无人机编队控制装置700可以包括：

获取模块701，用于获取无人机编队中各个无人机的第一飞行信息，所述第一飞行信息包括所述编队中的各个所述无人机的位姿信息；

确定模块702，用于基于所述第一飞行信息，确定各个无人机的目标飞行数据，目标飞行数据包括目标升力与目标力矩，目标升力为用于指示所述无人机移动的力，目标力矩为用于指示所述无人机移动的方向；

调整模块703，用于基于目标飞行数据，调整第一飞行信息。

在一些可能的实施例中，确定模块702，具体用于基于所述第一飞行信息，确定飞行误差，所述飞行误差包括速度误差；基于所述速度误差，确定所述目标升力。

在一些可能的实施例中，确定模块702，具体用于基于所述第一飞行信息，确定飞行误差，所述飞行误差包括姿态误差；基于所述姿态误差，确定所述目标力矩。

为了实现上述实施例，本申请还提供了一种无人机编队控制器，如图8所示，该无人机编队控制器包括上述实施例中的无人机编队控制装置700。

基于上述实施例中的方法，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行上述各实施例中的方法。

基于上述实施例中的方法，本申请实施例提供了一种计算机程序产品，当计算机程序产品在处理器上运行时，使得处理器执行上述各实施例中的方法。

可以理解的是，本申请的实施例中的处理器可以是中央处理单元(centralprocessing unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signalprocessor，DSP)、专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件，硬件部件或者其任意组合。通用处理器可以是微处理器，也可以是任何常规的处理器。

本申请的实施例中的方法步骤可以通过硬件的方式来实现，也可以由处理器执行软件指令的方式来实现。软件指令可以由相应的软件模块组成，软件模块可以被存放于随机存取存储器(random access memory，RAM)、闪存、只读存储器(read-only memory，ROM)、可编程只读存储器(programmable rom，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable PROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electrically EPROM，EEPROM)、寄存器、硬盘、移动硬盘、CD-ROM或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于ASIC中。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘(solid state disk，SSD))等。

可以理解的是，在本申请的实施例中涉及的各种数字编号仅为描述方便进行的区分，并不用来限制本申请的实施例的范围。