Distributed coordinated control scheme of UAV swarm based on heterogeneous roles

This paper proposes a new distributed coordinated control scheme based on heterogeneous roles for Unmanned Aerial Vehicle(UAV) swarm to achieve formation control. First, the framework of the distributed coordinated control scheme is designed on the basis of Distributed Model Predictive Control(DMPC). Then, the effect of heterogeneous roles including leader, coordinator and follower is discussed, and the role-based cost functions are developed to improve the performance of coordinated control for...     

Mission-driven autonomous perception and fusion based on UAV swarm

Distributed autonomous situational awareness is one of the most important foundation for Unmanned Aerial Vehicle(UAV) swarm to implement various missions. Considering the application environment being usually characterized by strong confrontation, high dynamics, and deep uncertainty, the distributed situational awareness system based on UAV swarm needs to be driven by the mission requirements, while each node in the network can autonomously avoid collisions and perform detection mission through ...     

An intelligent target detection method of UAV swarms based on improved KM algorithm

Complete and efficient detection of unknown targets is the most popular application of UAV swarms. Under most situations, targets have directional characteristics so that they can only be successfully detected within specific angles. In such cases, how to coordinate UAVs and allocate optimal paths for them to efficiently detect all the targets is the primary issue to be solved. In this paper, an intelligent target detection method is proposed for UAV swarms to achieve real-time detection requirements. First, a target-feature-information-based disintegration method is built up to divide the search space into a set of cubes. Theoretically, when the cubes are traversed, all the targets can be detected. Then, a Kuhn-Munkres (KM)-algorithm-based path planning method is proposed for UAVs to traverse the cubes. Finally, to further improve search efficiency, a 3D real-time probability map is established over the search space which estimates the possibility of detecting new targets at each point. This map is adopted to modify the weights in KM algorithm, thereby optimizing the UAVs’ paths during the search process. Simulation results show that with the proposed method, all targets, with detection angle limitations, can be found by UAVs. Moreover, by implementing the 3D probability map, the search efficiency is improved by 23.4%–78.1%.     

面向无人机蜂群的航电云多层任务调度模型

在航空作战体系中，基于航电云的无人机（UAV）蜂群作战是提高未来无人机综合作战能力的一种新模式。针对无人机蜂群作战的航电云架构，如何将云端作战任务派发到无人机且保证作战任务完成时间是其中关键。在无人机蜂群分层分簇网络结构和模块级资源虚拟化的基础上，对传统单层平台级任务调度模型进行改进，提出了一种细化到模块级的多层任务调度模型，将作战任务从云端逐层调度到无人机功能模块上执行。利用OMNeT++对无人机蜂群多层任务调度模型以及传统的单层任务调度模型分别进行仿真，云端以攻击使命组为例构建使命组集进行分配，并对任务吞吐量、消息平均端到端延时和任务完成时间进行性能对比。仿真结果表明：与平台级单层任务调度相比，在执行任务方面，模块级多层任务调度模型将单个任务平均完成时间降低了46.2%，将使命组完成时间降低了52.1%，在保证任务吞吐量的基础上具有对复杂任务更稳定的调度能力；在网络性能方面，模块级多层任务调度模型消息端到端延时更低，延时分布更集中，提高了网络消息传输的实时性。     

Numerical study on flow fields and aerodynamics of tilt rotor aircraft in conversion mode based on embedded grid and actuator model

A method combining rotor actuator disk model and embedded grid technique is presented in this paper, aimed at predicting the flow fields and aerodynamic characteristics of tilt rotor aircraft in conversion mode more efficiently and effectively. In this method, rotor's influence is considered in terms of the momentum it impacts to the fluid around it; transformation matrixes among different coordinate systems are deduced to extend actuator method's utility to conversion mode flow fields' calculation. Meanwhile, an embedded grid system is designed, in which grids generated around fuselage and actuator disk are regarded as background grid and minor grid respectively, and a new method is presented for ‘donor searching' and ‘hole cutting' during grid assembling. Based on the above methods, flow fields of tilt rotor aircraft in conversion mode are simulated, with threedimensional Navier–Stokes equations discretized by a second-order upwind finite-volume scheme and an implicit lower–upper symmetric Gauss–Seidel(LU-SGS) time-stepping scheme. Numerical results demonstrate that the proposed CFD method is very effective in simulating the conversion mode flow fields of tilt rotor aircraft.     

基于嵌套网格的CHN-T1标模数值模拟

为响应第一届航空CFD可信度研讨会(AeCW-1),对CHN-T1标模翼身-尾翼组合体构型采用两种RANS求解器进行了基于结构化嵌套网格的网格收敛性研究和抖振特性计算,并与对接网格结果进行了对比分析。参考AeCW-1网格生成指南自主研发了一族以约3.3倍规模增长的稀-中等-密-特密嵌套网格系列。相比于分区点对接网格,融合了贴体网格和笛卡尔网格优势的嵌套网格从根本上降低了网格生成难度,单块网格拓扑形式更为合理且正交性较好,同时能够有效地平衡近场和远场的网格量。对于跨音速运输机构型,同等规模下嵌套网格的物面网格密度较对接网格更大,能够对激波和分离等复杂流动进行更理想的预测。对比计算过程中,自研求解器OFS3D表现出了较高的嵌套网格计算效率和可靠性,而NASA CFL3D求解器的嵌套网格计算能力有待进一步挖掘和验证。计算还发现,不同湍流模型得到的表面压力分布、分离区大小以及最大升力系数存在差别,而风洞模型支撑和机翼静气弹变形对飞行器力矩特性预测影响较大。     

无人机编队协调控制算法的设计及3D仿真实现

介绍了无人机编队队形保持的协调控制算法设计、3D模型地面处理、基于三维地图的3D模型绘制显示模块的设计,并进行了嵌入式下的仿真实验。基于智能体编队的一致性算法提出了队形保持的全状态反馈协调控制算法,可以实现在机动过程中的队形保持。采用三维建模软件3DMax构建3D模型原型,设计了3D模型读取绘制的流程,实现了3D模型显示。将3D模型绘制显示模块融合在三维地图软件中进行嵌入式测试,绘制效率、读取速度对三维地图软件影响很小。3D模型绘制显示模块丰富了三维地图软件的显示内容,增强了立体效果,提高了用户体验。     

无人机沉浸式模拟训练系统设计与实现

针对传统无人机模拟训练沉浸感差的问题,将数字头盔和三维动态鼠标等虚拟现实设备应用到无人机模拟训练中,通过多人协同交互、全息显示、多通道图像处理等技术手段,提供一种全新的沉浸式训练体验,使得教学训练更加生动.采用通用的开发语言、标准模块的设计结构和通用开放的设计接口,通过三维模型制作、虚拟场景搭建,创造立体逼真的虚拟操作...     

基于Delaunay图映射的动弹网格技术及其应用

在多块混合网格的基础上发展了一套基于Delaunay图映射方法的动弹网格技术,实现了针对气动弹性计算的网格变形运动方法,并使用基于多块混合网格的RANS方程的有限体积法耦合结构静平衡方程,针对大展弦比无人机在实际使用中可能出现的显著的静气动弹性问题进行了计算、分析和研究。研究结果表明,所发展的动弹网格方法为粘性混合网格的变形提供了较好的解决方案;RANS方程解算器具有较高的精度和较强的适用性,具备求解粘性流体与结构耦合等复杂航空气动弹性问题的能力。     

基于改进A*算法的无人机航迹规划

借鉴A*算法思想,提出了一种改进A*算法的无人机航迹规划方法.针对在传统A*算法中将规划区域栅格化、只能在特定方向按照特定步长扩展节点的不足,采用圆形节点扩展方法,可以实现变方向和变步长扩展节点.通过仿真进行了验证,结果表明改进的航迹规划方法可以绕过威胁,安全到达目标点.     

基于图像处理思想的自适应网格技术

为了提高激波和旋涡等复杂流动现象的捕捉精度和计算效率,基于图像处理的思想,研究了非结构网格的自适应加密和稀疏算法.将流场计算网格与图像像素类比,借鉴图像处理的方法,提出了一种流场自适应区域的分割算法.该方法能自动对自适应区进行分层,中间区域网格可以达到原来多次自适应的效果,而且提高了生成网格的质量.将算法嵌入到流场求解器中,根据流场求解结果对网格进行自适应,并使用算例进行了验证.     

基于径向基函数与混合背景网格的动态网格变形方法

发展了一种基于径向基函数(RBF)插值和混合背景网格映射的动态网格变形方法。混合背景网格由运动物面附近的各向异性网格和偏离运动物面的各向同性网格组成。物面变形或运动后,包含在各向异性背景网格中的所有物面网格点的位移由指定的物面运动规律得到,而各向同性背景网格点的位移通过径向基函数插值获得。然后变形后的计算网格利用计算网格与混合背景网格之间固定的映射关系代数插值得到。各向同性网格距离物面一定的距离,消除了物面保形对径向基函数插值的要求,从而可以减少径向基函数基点的数量,以提高插值的效率和可靠性。最后,通过二维和三维算例对该方法的变形网格质量、参数影响、网格拓扑依赖性、复杂外形变形能力及网格变形效率进行了测试。测试结果表明,该方法能够高效生成大变形下高质量的变形网格。     

一种基于求解椭圆型方程的结构动网格生成方法

基于椭圆型网格生成法,实现了一种简单高效的贴体结构动网格生成方法,可用于具有移动边界问题的非定常流动数值模拟。该方法提出,在网格变形过程中,Poisson方程需要的控制网格间距和正交性的源项可以通过提取已知的静态网格源项直接得到,并在整个动网格生成过程中保持不变。因此,在椭圆型网格生成中需要通过外迭代确定源项的过程可以得到省略,而且该方法不需要人工指定参数。这使得方法具有高效和易于嵌入到已有程序中的特点。数值模拟结果证明,采用这种方法获得的网格能够较好地保持静态网格原有的正交性和光滑性,在相同迭代步数约束下,网格求解效率低于传统弹簧模拟法,但鲁棒性优于弹簧模拟法。     

基于BSP-ANN的四旋翼无人机轨迹跟踪方法

为了降低无人机轨迹跟踪误差,提高系统抗干扰能力,对反步（Backstepping）法进行改进提出一种基于反步神经网络（BSP-ANN）的无人机轨迹跟踪方法。首先,建立了四旋翼无人机运动学模型;然后,结合Backstepping方法在无人机的姿态控制、轨迹跟踪控制系统中引入Sigma-Pi神经网络,同时设计Sigma-Pi神经网络控制率,并证明该控制率满足Lyapunov意义下的系统稳定;最后,分别给出了相应的仿真实验。仿真结果表明：该算法可以有效降低跟踪误差,缩短无人机跟踪时间,同时可以提高系统的抗干扰能力。     

基于改进蚁群算法的无人机路径规划

针对传统无人机路径规划算法存在规划效率低以及无法满足特定任务需求的缺点,提出了基于改进蚁群优化算法的无人机路径规划算法。首先,将待规划区域栅格化,给每一个网格按顺序编号;其次,在路径搜索时引入了一种双向搜索机制,对信息素的更新规则和下一步节点的选择方法做出改进;最后,提出了一种新的方法来整合两组蚂蚁生成的路径,并给出了若干仿真试验结果。结果表明,所提算法相比传统算法更能有效避免过早陷入局部最优,收敛速度加快,生成满足任务约束的最短路径。     

一种基于约束框架的棱柱网格生成方法

提出了一种基于约束框架的棱柱网格生成方法,即利用物面网格节点与背景结构框架网格之间的单一映射关系线性插值生成棱柱网格。背景结构框架网格基于TFI方法生成。物面网格节点与背景框架网格之间的映射关系通过一种线性投影方法建立。然后通过V型槽、圆球、M6机翼和F6翼身组合体四种不同外形对该棱柱网格生成方法进行了测试,测试结果表明该方法能够避免棱柱网格生成中的网格交叉现象,保证棱柱网格的成功生成。该方法在棱柱网格质量控制、棱柱网格局部修改等方面具有较好的效率和优势,但背景框架网格的生成依然是该方法的一个瓶颈,需要进一步的研究。     

基于群智机理的集群防碰撞控制

在执行作战任务以及民用中,无人机集群由于具备高可靠性和高效费比的特点而受到广泛关注;随着城市低空空域的开放,作战环境的动态复杂性剧增,对无人机集群防碰撞提出了严峻的挑战。针对无人机集群执行任务时的编队个体之间防碰撞以及遭遇突发障碍时的集群防碰撞问题,提出了基于群智机理的集群防碰撞控制方法。通过引入力学概念,设计了集群内部吸引力、排斥力以及编队构型力的模型;通过集群个体间的信息共享以及类脑知识发育,构建了基于群信息共享和类脑反射的无人机防碰撞模型。仿真结果表明：所提集群控制方法提高了集群的集结效率,而且在遭遇突发障碍时能够规避动态障碍,再次完成编队重构;群智机理的引入缩短了无人机集群面临突发障碍时的反应时间。     

基于GA-OCPA学习系统的无人机路径规划方法

为解决未知空域中无人机路径规划方法实时性和适用性不足的问题,以生物应激条件反射理论为基础,将无人机实时路径规划类比为在外界条件刺激下的一种自学习行为。首先,将概率自动机与遗传算法相结合,设计了基于Skinner操作条件反射理论框架(GA-OCPA)的学习系统;然后,将无人机规避机动的飞行速度、滚转加速度和拉升加速度作为系统学习的行为,并计算每次学习尝试之后的选择概率和个体适应度,通过遗传算法搜索最优行为进而得到最优路径;最后,运用增量多层判别回归树(IHDR)对学习得到的最优行为建立知识库,形成威胁状态与路径规划的匹配映射。实验结果表明GA-OCPA学习系统对于无人机路径规划具备有效性和适用性。     

基于遗传模拟退火算法的无人机航迹规划

航迹规划技术是无人机任务规划系统中重要的核心技术之一,无人机飞行空间广阔,需要一种快速搜索最佳路径的方法.首先在飞行区域中建立数字地图模型和防空威胁区模型,在满足无人机飞行约束条件的情况下,为无人机航迹规划提供一种遗传模拟退火算法,充分利用模拟退化算法的概率突跳特性和遗传算法强大的快速搜索能力.仿真结果表明,使用该算法无人机能够自动避开模拟数字地图的威胁区,搜索出一条安全有效航迹,并保证航线的完整性和最优性.     

基于Euler方程的三维自适应笛卡尔网格应用研究

本文采用非结构自适应笛卡尔网格和有限体积法求解了三维Euler方程。在网格生成过程中，采用了基于模型几何数据、模型表面曲率和流场特征为基础的网格自适应生成及加密方法，采用模型特征恢复技术保证了计算模型与原始外形的一致。在计算中，将以中心差分为基础的Jameson有限体积法在三维笛卡尔网格中进行了推广。本文中对导弹、歼击机等复杂问题进行了数值实验，计算结果与风洞实验结果符合良好，并在工程实际中成功应用。