[发明专利]通信延迟约束下的多无人机集群导航方法

说明书

本发明提出了一种通信延迟约束下的多无人机集群导航方法，解决了无人机群中无人机间的通信存在延迟条件下，集群系统难以实现稳定集群的技术问题。本发明将集群导航过程划分为准备阶段和飞行阶段，准备阶段包括对集群中无人机运动建模、对无人机飞行状态数据处理得到训练样本、构建LSTM模型并用训练样本训练LSTM模型，飞行阶段包括无人机起飞初始化、发送交互飞行信息、接收交互飞行信息，最终实现通信延迟约束下的多无人机集群导航。本发明具有通信和计算开销小和可实现通信延迟约束下多无人机稳定集群飞行的优点，应用于无人机集群导航，能够避免无人机集群飞行过程中因时间延迟导致的集群飞行抖动，降低无人机集群飞行过程中发生碰撞的概率。

技术领域

本发明属于多智能体协同控制领域，主要涉及无人机集群导航，具体是一种通信延迟约束下的多无人机集群导航方法，主要应用在分布式无人机集群导航中。

背景技术

目前随着无人机智能化水平的不断提高，无人机的应用领域越来越广，单个无人机已经无法满足复杂的任务需求，无人机集群控制技术已成为无人机领域发展的重要研究方向。无人机集群系统是指由一定数量的无人机组成，利用信息交互与反馈、激励与响应实现相互间行为协同，共同完成特定任务的自主式空中智能系统。目前无人机集群控制方法主要分为两大类，一类是集中式控制方法，该方法依赖于无人机与中心节点之间的有效通信，使用一个中央控制器协调无人机的运动；另一类是分布式控制方法，该方法中没有中心控制器，无人机通过自主决策完成自组织碰撞避免。许多现有方法假定无人机通过通信可以实时获取周围无人机的飞行信息，但在实际应用中，无人机之间的通信常常存在不稳定的延迟与中断等问题，导致无人机无法实时获取到周围无人机的飞行信息，周围无人机也无法实时获取到该无人机的飞行信息，从而降低规划飞行路径的精度，影响控制系统的稳定性，导致无人机碰撞发生的概率大大增加。

自2014年已有研究团队将其设计的集群算法应用于真实的户外无人机集群中，首次实现了多达十架无人机稳定的自主户外飞行。在该团队设计的算法中，考虑了时间延迟的影响，集群中每架无人机利用周围邻居无人机的历史飞行信息规划自身的飞行路径，并通过全局参数调整让系统达到一个稳定的集群状态。这种延迟解决方案存在的问题是当集群中无人机系统处于数量较大或间距较小的情况时，无人机间容易发生碰撞，并且在比较复杂的场景下参数的调节需要花费大量计算与通信开销。此外，控制论中针对时间延迟问题也有较多研究，为了解决多无人机集群通信中信号传输的延迟问题，通常方案是设计合理的控制协议，利用矩阵论和稳定性理论，得到系统达到滞后一致的充分条件，并证明在这些条件限制下的系统最终能够达到一致状态。这些控制理论建立在控制器可以获取全局信息并为环境与无人机建立精确模型的基础上。但在实际运行环境中，由于通信条件的限制，单个无人机很难获取全局信息，此外，基于控制理论设计的模型需要满足一系列的约束才能保证模型的可用性。

现有通信延迟约束的多无人机集群导航方案主要基于控制协议的设计，通常控制协议中控制器需要获取全局信息并为环境与无人机建立精确模型，然后根据模型构建方程式推导出系统最终达到一致性需要满足的约束条件，通过证明验证当集群系统满足这些约束条件时，集群导航运动可以达到最终一致。这种技术方案存在的不足是集群在复杂环境中一致性难以保证，并且鲁棒性较低，即使环境发生细微变化，也可能会导致一致性约束条件无法满足，使得系统集群导航运动无法达到最终一致。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种保证集群中无人机间的通信存在或大或小的通信延迟时无人机仍能保持稳定集群飞行的通信延迟下的多的多无人机集群导航方法。

本发明是一种通信延迟约束下的多无人机集群导航方法，其特征在于，将集群导航过程划分为准备阶段和飞行阶段，包括如下步骤：

准备阶段