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面向中继通信的空地协同无人机编队控制算法设计与仿真

李博 陈梦媛 杨洪娟 赵楠 王钢

李博, 陈梦媛, 杨洪娟, 赵楠, 王钢. 面向中继通信的空地协同无人机编队控制算法设计与仿真[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(8): 2839-2846. doi: 10.11999/JEIT220880
引用本文: 李博, 陈梦媛, 杨洪娟, 赵楠, 王钢. 面向中继通信的空地协同无人机编队控制算法设计与仿真[J]. 电子与信息学报, 2023, 45(8): 2839-2846. doi: 10.11999/JEIT220880
LI Bo, CHEN Mengyuan, YANG Hongjuan, ZHAO Nan, WANG Gang. Air-ground Cooperative UAV Formation Control Algorithm Design and Simulation for Relay Communications[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(8): 2839-2846. doi: 10.11999/JEIT220880
Citation: LI Bo, CHEN Mengyuan, YANG Hongjuan, ZHAO Nan, WANG Gang. Air-ground Cooperative UAV Formation Control Algorithm Design and Simulation for Relay Communications[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2023, 45(8): 2839-2846. doi: 10.11999/JEIT220880

面向中继通信的空地协同无人机编队控制算法设计与仿真

doi: 10.11999/JEIT220880
基金项目: 国家自然科学基金(62171154, 61901137),山东省自然科学基金(ZR2020MF007),广东省空天通信与网络技术重点实验室开放基金(2018B030322004)
详细信息
    作者简介:

    李博:男,副教授,博士,博士生导师,研究方向为空天地网络、飞行自组织网络、物理层网络编码

    陈梦媛:女,硕士生,研究方向为无人机网络、无线通信

    杨洪娟:女,副教授,博士,硕士生导师,研究方向为无线通信、水声通信、无人机网络

    赵楠:男,教授,博士,博士生导师,研究方向为无人机通信与网络、非正交多址技术

    王钢:男,教授,博士,博士生导师,研究方向为物理层网络编码、通信网理论与技术、数据通信

    通讯作者:

    杨洪娟 hjyang@hit.edu.cn

  • 中图分类号: TN915

Air-ground Cooperative UAV Formation Control Algorithm Design and Simulation for Relay Communications

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62171154, 61901137), The Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2020MF007), The Research Fund Program of Guangdong Key Laboratory of Aerospace Communication and Networking Technology (2018B030322004)
  • 摘要: 随着无人机(UAV)应用场景的不断丰富,近年来利用无人机编队实现空地协同的任务日益增多。根据现阶段的编队体系和控制方法,该文设计一种基于行为策略的空地协同无人机编队控制算法:通过引入空地协同思想,为地面移动用户提供中继通信服务,扩大了无人机编队的通信覆盖范围。为7架无人机组成的编队设计了4种无人机队形,推导相应的单位中心站位标准,并使用Unity软件对空地协同无人机编队控制算法进行仿真,测试使用该算法的无人机编队在理想环境下的转弯性能和模拟实际环境下的避障、中继通信以及队形变化能力。基于所提出的空地协同算法,设计了两种任务方案:区域搜索覆盖主任务方案和用户失联搜救应急方案。实验仿真证明了改进的空地协同无人机编队控制算法及两种方案具有可行性。
  • 图  1  部分无人机编队队形示意图

    图  2  扇形队形下单位中心标准示意图

    图  3  邻节点选取示意图

    图  4  经典${A^ * }$算法和改进后${A^ * }$的算法仿真图

    图  5  仿真环境建模图

    图  6  单位中心标准各队形行进路线仿真结果示意图

    图  7  无人机编队动态避障仿真示意图

    图  8  单位中心标准下队形切换仿真示意图

    图  9  横队队形无人机编队区域搜索仿真示意图

    图  10  失联搜救仿真示意图

    图  11  无人机及用户归队仿真图

    表  1  仿真数据对比

    邻节点选取方法规划出的路径长度(m)路径规划时间(s)
    四邻域选取法23.001.69
    六邻域选取法21.002.15
    八邻域选取法12.002.69
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    表  2  仿真参数设定

    无人机参数设定值无人机参数设定值
    最高速度(m/s)5.0避障行为最大边界值d2max(m)10.0
    最高加速度(m/s2)2.0避障行为最小边界值d2min(m)5.0
    机间标准距离d0(m)20.0队形保持行为最大边界值d3max(m)25.0
    奔向目标行为增益值g10.8队形保持行为最小边界值d3min(m)2.0
    避开障碍行为增益值g21.5机间防撞行为最大边界值d4max(m)5.0
    队形保持行为增益值g31.0机间防撞行为最小边界值d4min(m)3.0
    机间防撞行为增益值g42.0中继通信行为最大边界值d5max(m)60.0
    中继通信行为增益值g51.5中继通信行为最小边界值d5min(m)25.0
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    表  3  理想环境下仿真结果

    无人机编队队形行进时间(s)队形保持率(%)
    横队队形92.9892.25
    纵队队形58.3693.83
    六边形队形76.0798.33
    扇形队形82.3093.21
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    表  4  区域平行搜索方案搜索用时结果信息表

    无人机编队队形搜索用时队形保持率(%)
    横队队形25分 01 秒89.57
    纵队队形3时04分31秒88.24
    六边形队形1时12分13秒90.28
    扇形队形33分43秒87.29
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-07-01
  • 修回日期:  2023-01-16
  • 网络出版日期:  2023-02-20
  • 刊出日期:  2023-08-21

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