基于虚拟势场函数的无人机集群区域覆盖方法及其装置论文和设计-杨雅君

全文摘要

本申请公开了一种基于虚拟势场函数的无人机集群区域覆盖方法及其装置，包括以下步骤：首先由凸多边形目标区域顶点坐标计算目标区域几何中心坐标；然后根据区域顶点坐标、几何中心坐标、无人机绝对位置测量值、无人机相对邻近无人机的相对位置测量值，计算虚拟吸引函数和排斥函数；最后，通过判断无人机是否进入目标区域，决策无人机采用不同的运动规则，实现无人机集群对区域的持续覆盖。该方法可以使无人机集群对任意凸多边形区域形成持续覆盖，且无人机在区域内分布均匀，相比传统的区域覆盖方法，具有控制计算量小、信息处理量少、覆盖区域形状多样的优点。本申请另一方面还提供了一种该方法运用的装置。

主设计要求

1.一种基于虚拟势场函数的无人机集群区域覆盖方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S100：获取各所述无人机实时绝对位置和相对邻近无人机的相对位置，根据待覆盖目标区域及所述目标区域的几何中心，分别计算所述几何中心实时对集群中各无人机的虚拟吸引函数FO、所述目标区域边界实时对无人机的虚拟排斥函数FL、计算各所述无人机个体间的虚拟排斥函数步骤S200：判断各所述无人机实时绝对位置是否处于所述目标区域内，得到判断结果；步骤S300：如果所述判断结果为是，则根据所述虚拟排斥函数FL、所述虚拟排斥函数控制各所述无人机按所述目标区域内运动规则进行运动，如果所述判断结果为否，则根据所述虚拟吸引函数FO、所述虚拟排斥函数控制各所述无人机按所述目标区域外运动规则进行运动，并判断各所述无人机控制结束后是否进入稳态；步骤S400：如果进入稳态则结束控制；如果没有进入稳态则返回步骤S100；其中，所述步骤S300中所述“控制”为根据无人机需用运动速度控制各所述无人机实际位置Xi的变化；“所述判断结果为是”时，则按下式计算所述目标区域内无人机需用运动速度其中，M为无人机周围邻近无人机的数量；“所述判断结果为否”时，则按下式计算所述目标区域外无人机需用运动速度其中，M为无人机周围邻近无人机的数量；按下式计算所述无人机之间的虚拟排斥函数其中，Rij为相对邻近无人机的相对位置坐标，Rmax表示任一无人机对其他无人机的最远影响距离，Rmin表示任一无人机与其他无人机的最近安全距离，G1为控制增益；按下式计算所述几何中心实时对集群中各无人机的虚拟吸引函数FO：其中，G2为控制增益，P0(x0,y0)为所述目标区域的几何中心坐标，Xi为无人机绝对位置坐标；计算所述目标区域边界实时对无人机的虚拟排斥函数FL包括以下步骤：a)按下式分别计算各所述无人机到所述目标区域各边界线的垂足点坐标其中，表示无人机绝对位置的横坐标，表示无人机绝对位置的纵坐标，表示第k条目标区域边界线的垂足横坐标，表示第k条目标区域边界线的垂足纵坐标注意，(xk,yk)为所述目标区域的第k顶点坐标，(xk+1,yk+1)为所述目标区域的第k+1顶点坐标；b)按下式计算各所述无人机到所述目标区域每一条边界线垂足的距离其中，Xi为无人机绝对位置坐标；得到所述无人机到所述目标区域边界的最短距离及其对应的垂足坐标c)按下式计算距离最近区域边界对无人机的排斥函数FL：其中，G3为控制增益，L为无人机距离区域边界的最小容许距离。

设计方案

1.一种基于虚拟势场函数的无人机集群区域覆盖方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100：获取各所述无人机实时绝对位置和相对邻近无人机的相对位置，根据待覆盖目标区域及所述目标区域的几何中心，分别计算所述几何中心实时对集群中各无人机的虚拟吸引函数F_{O<\/sub>、所述目标区域边界实时对无人机的虚拟排斥函数F_{L<\/sub>、计算各所述无人机个体间的虚拟排斥函数设计说明书}}

技术领域

本申请涉及一种基于虚拟势场函数的无人机集群区域覆盖方法及其装置，属于无人机集群控制技术领域。

背景技术

无人机集群区域覆盖，是指在集群中的每一架无人机的探测能力可以覆盖一定面积的前提下，利用多架无人机相互协作，使目标区域中的每个点至少被一架无人机探测范围覆盖。由于集群系统的鲁棒性、规模弹性和灵活性，集群区域覆盖广泛，被应用于搜索搜救、运输构建、地形搜索、地图绘制、编队以及传感器网络部署等领域。

综合上述应用情景可以发现，集群区域覆盖的应用场景具备如下特点：1)需要快速部署无人机节点；2)需要覆盖的区域形状不规则；3)作为集群节点的无人机平台并不必然具备全局通信能力；4)环境危险，无人机节点应具备自主部署能力。

随着无人机平台技术的成熟，无人机集群的应用越来越广泛，对无人机集群区域覆盖问题的研究也成为了无人机工业界和学界关注的热点。

区域覆盖问题在多移动节点系统中作为系统级的行为，最早由学者Gage在2005年提出，他将区域覆盖问题分为3类：地毯式覆盖、障碍式覆盖和清扫式覆盖。也有学者将区域覆盖问题分为：持续覆盖和非持续覆盖两类。

非持续覆盖只要求目标区域中的每个点曾经被一台移动节点扫过，而不要求一直被覆盖，常用于区域探索、搜救类任务，涉及到的移动节点数量较少，且通常使用路径规划的方法解决。

持续覆盖是指区域中每个点都时刻处于至少一台移动节点的覆盖范围内，适合区域持续监视和通信组网类任务。

目前对区域覆盖问题的解决方案有：基于任务规划的非持续覆盖方案、利用固定响应阈值模型和应用概率分析方法的覆盖方案、分布式协同覆盖方案、基于集群分组和区域划分的分配覆盖方案、利用信标网络辅助的覆盖方案、基于人工鱼群算法的覆盖部署方案、基于粒子群算法和Voronoi图的覆盖方案、基于猫群算法的无限传感器部署方案等。

但是，目前基于优化算法的文献并没有研究如何协调控制各个移动节点使其能够运动到目标位置，而考虑了节点移动控制的方案并没有考虑个体探测范围和通信范围有限条件下的持续覆盖问题，所覆盖的区域也通常为规则图形，不能满足实际应用的需要。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种基于虚拟势场函数的无人机集群区域覆盖方法，该方法可以使无人机集群对任意凸多边形区域形成持续覆盖，且无人机在区域内分布均匀，相比传统的区域覆盖方法，具有控制计算量小、信息处理量少、覆盖区域形状多样的优点，为无人机在区域监控领域的工程应用提供了有效方案。

所述基于虚拟势场函数的无人机集群区域覆盖方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S100：获取各所述无人机实时绝对位置和相对邻近无人机的相对位置，根据待覆盖目标区域及所述目标区域的几何中心，分别计算所述几何中心实时对集群中各无人机的虚拟吸引函数F_{O<\/sub>、所述目标区域边界实时对无人机的虚拟排斥函数F_{L<\/sub>、计算各所述无人机个体间的虚拟排斥函数设计图}}

基于虚拟势场函数的无人机集群区域覆盖方法及其装置论文和设计

基于虚拟势场函数的无人机集群区域覆盖方法及其装置论文和设计-杨雅君

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