基于群集行为的无人机自主编队算法研究

发布时间：2020-04-06 02:10

【摘要】：近年来,无人机及其相关技术研究受到各个领域的广泛关注,不仅在军事领域具有战略意义,如侦查、作战等,在民用领域也愈发受到企业与爱好者的追捧。相对于单架无人机,无人机编队有着许多优势,如可以降低无人机负载等。未来的无人机编队需要兼备自主性、灵活性、稳定性,且能够高成功率高效率地完成探测、物品运送、甚至更复杂的任务,满足不同场景的实用需求。从降低成本的角度来讲,无人机编队相较单架无人机更有优势,仅装载少量计算设备与传感器的无人机组成的大规模蜂群将有着广阔的应用领域。无人机编队任务包括了编队、队形变换、分裂重组等编队算法的设计,考虑到现实环境中存在障碍物以及动态威胁的问题,无人机编队方案设计中还需要结合避障方法的研究。为了设计一种具有避障能力和扩展规模能力的自主编队,本文中提出了一种基于群集行为法的无人机分布式编队方案。该方案中通过规定了无人机个体的基本行为,通过群体中按照运动规则互相影响最终产生群体共识,结合虚拟领导的设置并利用人工势场法进行改进。结合基于行为法规则设计的思想与人工势场法中势场函数改变无人机运动状态具有更平滑的优点,该方案中无人机运动参照队内邻居无人机运动状态使自身运动与群体达成一致,同时结合势场函数对环境中感应范围内障碍物自主避障。传统的领航跟随式编队鲁棒性差,领机掉线基本上会导致任务失败,所以本文中采用了虚拟领导的方式引导无人机编队的运动。针对现实生活中的具有动态障碍物的情况,通过为无人机设计依据动态障碍物计算虚拟速度障碍加强了避障成功率,并通过为编队设计虚拟壳的方法,减少无人机脱队的情况,增强编队稳定性。本文针对未来大规模可扩展的自主编队需求,创新性地结合了编队算法与避障算法,形成无人机-障碍-虚拟领航点的框架,且针对有动态障碍物的情景优化了无人机行为策略。通过MATLAB仿真50架无人机在自由空间和静、动态障碍物环境下运动验证了算法的有效性和稳定性,初始状态随机的无人机能够成功避开障碍驶出障碍区,并形成具有期望尺寸的编队。
【图文】：

图 1-1 无人机集群示意图究目的及意义单架无人机负载有限，感知角度单一，面对实际生活中各种复人机集群协作解决问题。在较大规模的无人机编队情境下，传均存在一定的缺点，比如鲁棒性差、扩展性差等，为了保证数人机能够自发形成编队，且编队具有一定的形态可控性，需要传统方法进行改进。考虑到无人机编队对自主编队、避免碰撞同环境的需求，，主要涉及的研究方面有编队控制和障碍躲避。队控制方面，主要包含了编队形成和编队保持的问题。编队形初始混乱的状态下或者被外部环境扰乱后自主形成具有规律形，且过程中无人机之间不会产生碰撞；编队保持指无人机群形由空间飞行过程中有尽量少的队内相对位置变化，具有稳定的。碍躲避方面，要求无人机编队对静态障碍物与动态威胁自主避

该规则中个体根据其附近的个体的速度做出反应，不考虑其他个体的带来的影响。这里速度是指一个包括了量值和方向的向量。这一行为规于群体中个体的行为互相影响有着重要的作用。分离规则中的避碰能力和动态速度匹配有着互补的作用，这两条规则保证了群体中个体可以在不碰撞的情况下自由空间内共同向相同方向运另一个角度来看，速度匹配也是避碰的一部分，或是可以看作一种避碰测，它使得个体保持相对速度达到最小。存在速度匹配的情况下，个体的距离基本保持不变，即分离规则使个体分离，而速度匹配规则保持了距。无人机场景下，速度匹配规则约束无人机根据感知范围内其他无人机度信息调节自身运动状态。在每一时刻，无人机根据周围无人机速度信出一个平均速度矢量，并改变自身速度向该矢量收敛。在示意图 2-8 中，20 个随机位置、随机朝向的个体，经过一段时间后体间能够达成一致，朝同一方向前进。由此可知，具有一定智能的个体可以通过自发互相协调，最终产生群体行为。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279;V249

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本文编号：2615851