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专利号: 2024102127208
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.应用于海洋中尺度漩涡探测的多无人机定位方法,其特征在于,所述方法包括基于改进矩形波式Z字形遍历的漩涡发现方法和基于PSO的漩涡跟踪方法;基于改进矩形波式Z字形遍历的漩涡发现方法包括航路预规划方法和轨迹跟踪方法;所述航路预规划方法预规划航线,为每架无人机规划漩涡中心的搜索路线;所述轨迹跟踪方法计算无人机沿预规划航线飞行时的期望飞行速度;在无人机沿预规划航线飞行的过程中,利用人工势场法设计避碰策略;基于PSO的漩涡跟踪方法进行涡流中心定位;

所述航路预规划方法包括以下步骤:

(1)建立区域边界约束函数组:

假定存储的第i个坐标点为 ,查找 中的最大最小值,获取最大最小值

坐标,以此确定目标区域,建立目标区域边界约束函数组;

(2)全区域航路规划:

沿X轴方向扫描搜索时,在[Xmin,Xmax]之间按搜索间隔进行切分,求出所有的切分点,将经过切分点并与搜索方向垂直的直线作为切分线,根据设置的搜索方向依次求出切分线与区域边界约束函数组的交点,将交点作为搜索的路径点;

(3)子区域划分:

假设搜索无人机数量为N,搜索整个区域所需的总的搜索路径长度为T,则每个子区域的搜索路径总长度为T/N,以从搜索方向开始的第一条搜索路线开始,依次增加子区域的搜索路线,每增加一条,计算子区域总的搜索路线长度,当总的搜索路线长度大于T/N时,则将该子区域路线进行保存,并以下一条路线作为新的起始路线,继续进行下一个子区域的划分,直至整个待搜索区域划分完毕;

(4)子区域路径生成:

计算起降点与子区域上下左右四个顶点的距离,选取距离最近的点作为搜索路径的起始点,然后依次遍历所有的搜索路径点,在最后一个路径点返回起降点;

所述轨迹跟踪方法计算无人机沿航线飞行时的期望速度,无人机的期望速度包含两部分:va垂直于航线,当无人机偏离航线时使无人机回到航线上,vb与航线平行;假设无人机从飞往 ,无人机当前位置为P(x,y),无人机期望飞行速度的计算步骤如下:

(1)求从点 指向点 的单位向量Ui:

(2)求va和vb:

G1和G2为参数,其中G1为垂直于航线方向的速度的增益,该参数越大,无人机向航线靠拢的速度越快,反之向航线靠拢的速度越慢;G2为平行于航线方向的速度的增益,该参数越大,无人机沿航线飞行的速度越快,反之沿航线飞行的速度越慢;

tra

(3)求总的期望速度V :

2.根据权利要求1所述的应用于海洋中尺度漩涡探测的多无人机定位方法,其特征在于,所述基于PSO的漩涡跟踪方法终止条件是当无人机群全局极值满足温度确认条件时自动终止涡流中心跟踪定位任务;所述温度确认条件包括:条件1:集群中所有无人机与全局最优位置之间的平均距离小于给定阈值;

条件2:全局最优位置连续10个迭代周期没有发生变化;

当基于PSO的漩涡跟踪方法在最大时间内仍未发现最低或最高温度,则强制终止基于PSO的漩涡跟踪方法。

3.利用权利要求1‑2任一项所述方法的应用于海洋中尺度漩涡探测的多无人机定位系统,其特征在于,所述系统包括地面站系统和无人机系统,在地面站系统和无人机系统中运行多无人机定位方法;所述无人机系统,包括飞行控制器、定位模块、通信模块、温度传感器模块;所述定位模块、通信模块、温度传感器模块均与飞行控制器的无人机控制单元相连;

所述地面站系统通过MAVLINK协议发送地面站系统的数据至飞行控制器,飞行控制器通过MAVLINK消息接收进程进行接收数据并解析,解析完毕后通过uORB机制发布至无人机系统,无人机系统在自定义进程中运行多无人机定位方法,通过uORB机制对数据进行订阅获取;无人机系统接收到一键起飞指令后,无人机起飞,执行多无人机定位方法;利用温度传感器,实现对温度的实时监测和中尺度漩涡中心的定位。

4.根据权利要求3所述的应用于海洋中尺度漩涡探测的多无人机定位系统,其特征在于,所述地面站系统,包括预规划模块、搜索监控模块和数据转发模块;所述预规划模块是用户在设置完待搜索区域及参数后,利用改进矩形波式Z字形遍历的漩涡发现方法自动为每架无人机生成航路,并将航路点上传至无人机系统保存;所述搜索监控模块对搜索过程中的无人机的状态进行实时监控,同时通过发送控制指令实现对无人机的实时控制;所述数据转发模块将多无人机旋涡中心定位过程中的避碰速度和基于PSO的漩涡跟踪方法的全局最优位置信息进行计算和转发。

5.根据权利要求4所述的应用于海洋中尺度漩涡探测的多无人机定位系统,其特征在于,所述搜索监控模块在搜索的过程中,需要将实时的搜索进度信息通过uORB机制发布至无人机系统,然后由MAVLINK消息发送进程订阅,将信息封装为MAVLINK消息帧并发送回地面站系统。

6.根据权利要求3所述的应用于海洋中尺度漩涡探测的多无人机定位系统,其特征在于,无人机将得出的期望位置/速度的控制指令通过uORB机制发布,由飞行控制器控制进程订阅。

7.根据权利要求3所述的应用于海洋中尺度漩涡探测的多无人机定位系统,其特征在于,地面站系统和无人机系统之间采用基于地面站数据转发的星型通信拓扑;星型通信拓扑中每架无人机只与地面站通信,基于PSO的漩涡跟踪方法以及无人机避碰通信需求通过地面站转发的方式实现。

8.根据权利要求7所述的应用于海洋中尺度漩涡探测的多无人机定位系统,其特征在于,在地面站系统利用无人机位置和适应度信息实时计算出每架无人机的避碰速度以及全局最优无人机位置信息,当无人机之间的距离小于安全距离以及全局最优无人机位置发生更新时,将避碰速度和全局最优无人机位置转发给无人机。