本發明一種仿鳥群行為和虛擬結構的無人機編隊控制方法，是將鳥群編隊結構映射至無人機編隊結構中，構建無人機編隊最優的編隊位置，通過虛擬結構模型計算所需要的控制指令，隨后接收到編隊控制指令的無人機控制單元再將無人機控制到指定位置，仿鳥群行為和虛擬結構的無人機編隊控制方法的具體步驟如下：1、建立無人機編隊數學模型；2、通過鳥群行為確定編隊控制位置；3、建立無人機編隊虛擬結構；4、通過鳥群行為和虛擬結構混合方法求取編隊控制輸入；步驟五：利用鳥群行為和虛擬結構混合方法進行編隊控制。該方法充分利用了鳥群行為機制和虛擬結構方法在編隊控制律設計中的簡潔性、普適性，保證了無人機在編隊狀態下控制的連續與穩定。

【技術領域】

本發明涉及一種仿鳥群行為和虛擬結構的無人機編隊控制方法，屬于控制技術領域。

【背景技術】

無人機是一種由動力驅動、可重復使用、機上無人駕駛的飛行器。與有人飛機相比，由于具有高機動、低成本和“零人員傷亡”等一系列特點，在高危戰場環境執行作戰任務時，無人機相比于有人機能夠體現出更巨大的優勢。目前，無人機已被廣泛應用于情報偵察、目標搜索跟蹤以及對地目標攻擊等各種作戰任務中，并在其中發揮了重大的作用。

無人機編隊飛行，就是將多架無人機按照一定的隊形進行排列，并使其在整個飛行過程中保持隊形不變。機群中的所有飛機都要在執行任務時根據面臨的具體情況來分擔各自的任務。無人機編隊控制由于其存在通信時延，編隊氣動耦合，使得控制問題復雜，且需要控制精度較高，歷來是無人機控制研究中的難點。飛機起飛過程包括滑跑、前輪抬起和空中飛行。其中以滑跑階段和前輪抬起階段的控制難度最大。對于一般的控制方法，需要事先調整數量巨大的控制參數，并在控制過程中頻繁地切換參數，控制器設計任務十分繁重。

自然界中，大雁等候鳥群時常在天空結隊而行，經生物學及仿生學研究，候鳥群以特殊幾何隊形飛行可以充分利用特殊隊形帶來的動力學優勢。在編隊飛行中，由于領頭鳥與跟隨者的特殊隊形，增加了跟隨鳥所受升力，可以節省飛行體力，有利于鳥類在遷徙過程中使鳥群以耗時最短和能量消耗最少的預期遷徙路徑飛行。編隊飛行有利于群鳥之間的信息交互，提高導航能力，有利于鳥群在棲息和捕食后迅速恢復隊形以及提高幼鳥對遷徙路徑的學習和記憶。采用基于鳥群行為的無人機編隊位置控制，可以提高無人機的升力，減小阻力。鳥群行為編隊的實現原理如圖1所示。

虛擬結構方法是指虛擬結構模型含有與編隊里每架實際無人機相對應的虛擬個體，虛擬個體的狀態即為實際無人機的期望狀態。這種方法將整個無人機編隊看做一個虛擬的剛體，編隊內的各無人機間的相互位置關系保持相對靜止，各無人機的目標航路點由其在編隊中的相對位置和整個虛擬剛體的移動情況決定，以此實現編隊隊形的保持。

【發明內容】

1、發明目的：

本發明的目的是提供一種仿鳥群行為和虛擬結構的無人機編隊控制方法，它是一種設計簡單并且控制精度較高的無人機編隊控制解決方法。此方法也可移植于其它復雜的編隊控制律設計問題。

仿鳥群行為和虛擬結構的無人機編隊控制方法利用鳥群行為求取編隊控制輸入，將無人機狀態平穩地轉移至目標狀態，從而保證整個編隊控制過程中每個無人機的穩定性。仿鳥群行為和虛擬結構的無人機編隊控制方法降低了無人機編隊控制的工作難度，并且提高編隊飛行的魯棒性。

2、技術方案：

本發明提出一種仿鳥群行為和虛擬結構的無人機編隊控制方法，其具體思路是將鳥群編隊結構映射至無人機編隊結構中，構建無人機編隊最優的編隊位置，通過虛擬結構模型計算所需要的控制指令，隨后接收到編隊控制指令的無人機控制單元再將無人機控制到指定位置，仿鳥群行為和虛擬結構的無人機編隊控制方法的具體步驟如下：

步驟一：建立無人機編隊數學模型

本方法中的無人機模型如下式所示：