【《无人机集群协同飞行控制分析》2900字】

无人机集群协同飞行控制分析目录TOC\o"1-3"\h\u23319无人机集群协同飞行控制分析 132057§1.1引言 131559§1.2指令的概念 116498§1.2.1行动方案 211486§1.3问题描述 31535§1.4队形设计及指令生成 426850§1.5队形控制 6引言无人机集群的飞行管理不同于传统的单一无人机的飞行管理。该技术应充分考虑机群中各无人机的位置关系，使机群中各无人机具有执行任务的能力，统称为机群协同飞行控制。本章主要设计一种基于指令的协同飞行控制方案，并对协同编队的飞行与协同搜索等问题进行了研究。指令的概念为了保证每一架无人机都能在无人机集群系统的执行中随时发挥最大的作用，引入了指挥的概念，指挥的目的是引导无人机自主驾驶和飞行，用c=(x，y，z，v，t，r，θ)来表示。其中T型指令，（X，Y，Z）是位置信息，V型是速度信息，时间信息，R型是波束信息，即方向信息。S级指令特别包括：起飞指令、预备队、返航指令、着陆指令、航线点指令、护航指令、运动指令等如图3.1所示。对于不同的命令，以下变量可能具有不同的内容和值。图3.1无人机集群执行任务过程中的指令也甚至可说是最简单的一种飞机航点控制指令，主要用于控制和指导一个无人机正确地滑行飞过某一正确航点，航点的指令信息主要内容包括某一航点的着陆位置、触发点的半径，触发点的半径可以代表一个无人机与某一航点的着陆位置没有差距而当小于飞机着陆火力或等于这个点的数值时，该指令可直接迫使无人机正确飞行，以完成预定飞行点。盘旋指令，（x，y，z）为盘旋中心点的位置，v为整个螺旋的运动速度，t为整个螺旋的运动时间，r为整个螺旋的运动半径，θ代表盘旋中心的运动方向，C+1表示逆时针方向，。起飞指令主要提供飞机的运动方向，即它现在起飞的运动方向；着陆命令特别包括飞机降落点的位置和进场着陆时的运动方向。等待命令通常在无人机完成上一个命令后执行，并等待下一个命令出现开始执行临时命令，一般来说，执行等待命令的速度很慢，这样等待命令有时可以转换为随时可以中断的命令。返回飞行指令，对于固定的空军基地来说，与飞行点指令具有同等意义。动作指令主要是根据飞行点指令，当无人机飞到预定飞行点时，会进行一定动作。行动指令实际上被转移到无人机的战斗载荷上，即。通过负载控制执行任务，如对武器装备的火力行动、侦察设备的探测行动等。行动方案从集群基地接收一批无人机后，他们将轮流执行发射任务，先完成发射任务，然后及时接收更新的命令，之后小组将完成刚刚收到的任务；完成任务后，各机组飞机及时返航，依次登机。执行任务时，无人机分为联合飞行模式和联合搜索攻击模式两种模式。联合飞行模式联合飞行模式主要发生在编队向任务区飞行过程中，当飞机执行任务规划中产生的飞行点指示时，前往目前目标所在的任务区；与此同时，该小组的所有飞机都执行了跟踪和飞行的命令。当指挥机接近任务区时，转入联合搜索攻击模式。（2）联合搜索攻击状态指挥机执行盘旋指令，在任务区外围上空盘旋。攻击机和侦察机分别进入任务区，执行联合搜索命令；当被强击机发现目标时，它会自动执行打击指令，打击目标并继续执行搜索指令；侦察机通过搜索获取目标时，将指挥信息传递给攻击机，使其具备对目标实施打击的能力，并且在收到攻击机的指令后，执行打击指令，然后在攻击机完成打击后，搜索指令将重新组建，还需要调整搜索命令。问题描述协同飞行，是一种在空中进行的多架无人机的联合飞行，按任务需要，包括编队的按顺序排列，维持编队队形的稳定和根据任务需要临时改变结构的能力。协同飞行技术是任务组在任务区执行飞行任务时使用的主要用于便于所有无人机的操作和控制的技术。编队飞行时任务组的领航者可以控制整个组的飞行地点和区域，并提供与该组所有无人机的通信，在紧急情况下，它提供了及时互动和避免风险的机会。无人机协同飞行中的一个主要问题是保持队形，即控制队形。作战过程中无人机集群编队队形的控制方法分为两大类：领航者控制方法、基于行为的虚拟结构控制方法。目前，无人机编队飞行中最常见的方法是领航者控制方法，也称为导航与护航方法。根据领航者控制方法的定义，在无人机集群中的存在一架被认为是领航者的无人机，领航者按任务计划规定的航线飞行，跟随着根据领航者的指挥控制战术飞行。由于这种方法非常直观，其配置控制比较简单，因此该技术得到了广泛的应用。虚拟结构控制方法又称虚拟导航，是一种集中控制方法。在虚拟结构的管理过程中，首先需要建立一个虚拟中心位置，类似于根据领航者的职能，，但领航者占用的空间仅限于这里。这个集群中的所有无人机都必须按照虚拟中心的位置，按照某种顺序控制飞行。该方法既有简单准确的误差和导纳，又具有相对较高的队列控制精度，但无人机在编队中发生碰撞的可能性相对较大。基于行为模型的配置管理方法不同于虚拟结构管理方法，虚拟结构是一种分布式管理方法。集群中的每一架无人机都有几种基本控制方法，如维持编队队形的稳定、防撞等，在数学上被认为是所有行为的加权平均值。这种方法可以非常有效地防止碰撞，然而，但由于设计的复杂性，行为边界的确定存在困难。队形设计及指令生成队形的构建是一个需要在群体飞行中首先解决的问题，它也是无人机飞行的重要基础和技术先决条件。目前，无人机编队飞行和具体编队飞行主要是基于不同飞机的飞行，通常是平行、纵向、菱形和楔形，如下图3.2所示。图3.2无人机常见队形本文采用了楔形无人机编队，以楔形无人机编队中的一架无人机作为编队的领航者，为方便介绍，暂将改无人机设在编队队形的中央，如图3.3所示，是一个黄色三角形。本文将编队的领航者正前方的无人机设定为侦察机为橙色三角形，其在飞行的过程中，首先在蓝三角中发现了如图3.3所示的敌情，由于侦察机具有很高的探测能力，且攻击机在指挥机的后方，如图3.3所示，呈红色三角形。这种分组方式可以适应任何一组无人机组成的需要；在无人机群中任何一架无人机出现故障的情况下，可以排除故障，重新组建新的编队。图3.3带有中心点的多楔形编队队形在这种编队中设计时，能够自动计算其余侦察机和攻击机在所有类型和数量上的相对位置组中的设备。侦察机在中心点的相对位置公式。(3.1)类似于攻击机I在中心相对于目标的位置(3.2)式3.1、3.2中，θf为楔形编队的顶角。计算出各无人机的相对位置后，将自动生成的跟踪指令发送到任务组，下图3.1显示了第一架无人机收到的跟踪命令的结果：表3.SEQ表\*ARABIC\s11第i架侦察机收到的跟随指令指令内容符号值类型t跟随指令位置信息xyz0速度信息VVCA时间信息T无时间信息半径信息R无半径信息角度信息θψCA队形控制为处理好无人机集群内部各无人机之间的相对位置存在波动的问题，本文引入跟随领航者法，通过将无人机集群中的侦察机当作领航者，其余各无人机作为跟随者的方法，将无人机集群的队形控制问题转化为在无人机集群内部保证各无人机之间的距离D与方位θ保持相对稳定的状态的问题，从而通过建立无人机集群内部的队形的数学模型的方法来解决该情况。如图3.4所示，在无人机编队飞行时，以无人机B为领航者，无人机A、C、D为跟随者，以各