一种时延环境下的多无人机协同编队控制方法技术

本发明专利技术是一种时延环境下的多无人机协同编队控制方法，包括如下步骤：步骤(一)：针对不同的时延类型，分别设计不同时延环境下的编队控制算法，所述时延类型包括固定常数时延和时变时延；步骤(二)：构建通信拓扑，并通过该通信拓扑实现无人机之间的信息交互；步骤(三)：根据通信中存在的时延类型，利用相应的所述编队控制算法保持编队队形。通过构建含有有向生成树的固定拓扑进行通信，实现无人机之间的信息交互，并采用同步耦合方法设计两种时延情况下的编队控制算法，得到当前时刻无人机的控制输入，以达到编队无人机状态同步匹配的目的，使无人机之间的通讯在受到固定常数时延或时变时延的干扰时，仍然能够收敛于预定的编队队形。

【技术实现步骤摘要】
一种时延环境下的多无人机协同编队控制方法
本专利技术属于无人机控制
，具体涉及一种时延环境下的多无人机协同编队控制方法。
技术介绍
无人机在空域监视、辐射监测、目标定位和跟踪等自主执行复杂的军事和民用方面有着良好的表现和明显的优势。多无人机编队更是有高任务执行成功率的优点，主要表现在：(1)大视野侦查，高精度定位，多角度成像；(2)可提高任务执行成功率和整体命中率；(3)续航时间延长，减小整体飞行阻力。无人机协同编队任务中，每架无人机需要通过接受邻居无人机完整、清晰、准确的信息来驱动自身的执行器，因此，协同变量的共享十分重要。然而，实际的通信信道可能存在延迟、噪声、丢包、异步等情况。其中，延迟是一个比较突出的问题，会导致编队通信受阻，甚至可能使部分无人机掉队坠毁，对系统稳定性的影响不能忽视。现有的无人机编队控制方法中，大部分仅限于设计时延控制算法，求得保证编队稳定的时延上限，但这些方法并不能降低通信时延问题带来的影响。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有技术的不足，提供一种时延环境下的多无人机协同编队控制方法，使无人机群在信息传递存在固定常数时延和时变时延的情况下，仍然能够收敛于预定的编队队形。本专利技术所要解决的技术问题是通过以下技术方案来实现的。本专利技术是一种时延环境下的多无人机协同编队控制方法，其特点是，包括如下步骤：步骤(一)：针对不同的时延类型，分别设计不同时延环境下的编队控制算法，所述时延类型包括固定常数时延和时变时延；步骤(二)：构建通信拓扑，并通过该通信拓扑实现无人机之间的信息交互；步骤(三)：根据通信中存在的时延类型，利用相应的所述编队控制算法保持编队队形。本专利技术所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的时延环境下的多无人机协同编队控制方法的步骤(一)中，设计固定常数时延环境下的编队控制算法：考虑由n架无人机组成多无人机编队系统，无人机之间采用步骤(二)所述的通信拓扑进行通信，信息交互时产生的时间延迟为固定常数τ，假设编队中存在虚拟中心，其运动速度为v0(t)，设计每架无人机的输入分量如式(1)所示：其中，和分别表示无人机i在x、y、z轴上的加速度分量，k1和k2表示控制参数，xi(t-τ)、xj(t-τ)分别表示在t-τ时刻无人机i和无人机j在x轴上的坐标值，yi(t-τ)、yj(t-τ)分别表示在t-τ时刻无人机i和无人机j在y轴上的坐标值，zi(t-τ)、zj(t-τ)分别表示在t-τ时刻无人机i和无人机j在z轴上的坐标值，和分别表示无人机i在x、y、z轴上的速度分量，Ni表示无人机i的邻居无人机个数,和分别表示两架无人机在地面坐标系三个方向上的预定机间距离，bi代表无人机i与虚拟中心的信息交换情况，当无人机i收到虚拟中心的信息时，bi＝1，否则bi＝0；若存在正定的对称矩阵P、Q、R满足不等式(2)，则编队控制算法(1)可使编队在具有固定常数时延的情况下全局渐进收敛于预定编队队形：其中，Λ1＝(E+F)TP+P(E+F)+τETRE+Q，L为邻接矩阵对应的Laplance矩阵，B＝diag{b1,b2,…,bn}，In＝[1,1,…1]T∈Rn。本专利技术所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的时延环境下的多无人机协同编队控制方法的步骤(一)中，设计时变时延环境下的编队控制算法：考虑由n架无人机组成多无人机编队系统，无人机之间采用步骤(二)所述的通信拓扑进行通信，信息交互时产生的时变时延为τ(t)，设计每架无人机的输入分量如式(19)所示：其中，γ表示控制参数，且γ＞0，xi(t-τ(t))、xj(t-τ(t))表示在t-τ(t)时刻无人机i和无人机j在x轴上的坐标值，yi(t-τ(t))、yj(t-τ(t))表示在t-τ(t)时刻无人机i和无人机j在y轴上的坐标值，zi(t-τ(t))、zj(t-τ(t))表示在t-τ(t)时刻无人机i和无人机j在z轴上的坐标值，和分别表示无人机i与虚拟中心在地面坐标系三个方向上的相对距离，分别表示无人机i在地面坐标系三个方向上的速度分量，Ni表示无人机i的邻居无人机个数；当τ(t)≤h，时，若存在正定对称矩阵满足不等式(20)，则编队控制算法(19)可使编队达到编队队形并使速度趋于一致：其中，h表示时变时延上限，表示时变时延变化率，d表示时变时延变化率上限，表示Laplance矩阵；当τ(t)≤h，的上限大于1或未知时，若存在正定对称矩阵满足含有时延上限的不等式(21)，则编队控制算法(19)可使编队达到编队队形并使速度趋于一致：其中，本专利技术所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的时延环境下的多无人机协同编队控制方法的步骤(二)中，所述的信息包括位置和速度信息，其中，无人机自身的位置和速度信息通过各自的机载传感器获取。本专利技术所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的时延环境下的多无人机协同编队控制方法的步骤(二)中，所述的通信拓扑包括领导-跟随型、强连通型和环状连通型通信拓扑。本专利技术所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。以上所述的时延环境下的多无人机协同编队控制方法的步骤(二)中，所述的通信拓扑还包括时延型通信拓扑，时延型通信拓扑按照如下原则进行构建：减少长的有向路径，避免单一信息源，且拓扑中含有信息反馈路径。本专利技术与现有技术相比，通过构建含有有向生成树的固定拓扑进行通信，实现无人机之间的信息交互，并采用同步耦合方法设计两种时延情况下的编队控制算法，得到当前时刻无人机的控制输入。无人机根据控制输入指令调整飞行状态，实时更新本地状态，并与邻居无人机之间进行信息通讯，以达到编队无人机状态同步匹配的目的，使无人机之间的通讯在受到固定常数时延或时变时延的干扰时，仍然能够收敛于预定的编队队形。本专利技术方法更接近实际系统，具有重要的理论价值和工程价值。附图说明图1为本专利技术以四架无人机编队为例的领航-跟随型通信拓扑的结构示意图；图2为本专利技术以四架无人机编队为例的强联通型通信拓扑的结构示意图；图3为本专利技术以四架无人机编队为例的时延型通信拓扑的结构示意图；图4为本专利技术以八驾无人机编队为例的时延型通信拓扑的结构示意图；图5为存在固定常数时延时，采用本专利技术基于固定常数时延的编队控制算法的多无人机编队的飞行轨迹；图6为存在固定常数时延时，采用本专利技术基于固定常数时延的编队控制算法的多无人机编队的航向角响应曲线图；图7为存在固定常数时延时，采用本专利技术基于固定常数时延的编队控制算法的多无人机编队的无人机机间距离；图8为存在时变时延时，采用本专利技术基于时变时延的编队控制算法的多无人机编队的飞行轨迹；图9为存在时变时延时，采用本专利技术基于时变时延的编队控制算法的多无人机编队的无人机机间距离；图10为采用领航-跟随型通信拓扑的多无人机编队的飞行轨迹；图11为采用领航-跟随型通信拓扑的多无人机编队的无人机机间距离；图12为采用强连通型通信拓扑的多无人机编队的飞行轨迹；图13为采用强连通型通信拓扑的多无人机编队的无人机机间距离。具体实施方式下面参照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。本专利技术是一种时延环境下的多无人机协同编队控制方法，主要包括如下步骤：步骤(一)：针对不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种时延环境下的多无人机协同编队控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(一)：针对不同的时延类型，分别设计不同时延环境下的编队控制算法，所述时延类型包括固定常数时延和时变时延；步骤(二)：构建通信拓扑，并通过该通信拓扑实现无人机之间的信息交互；步骤(三)：根据通信中存在的时延类型，利用相应的所述编队控制算法保持编队队形。

【技术特征摘要】
1.一种时延环境下的多无人机协同编队控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(一)：针对不同的时延类型，分别设计不同时延环境下的编队控制算法，所述时延类型包括固定常数时延和时变时延；步骤(二)：构建通信拓扑，并通过该通信拓扑实现无人机之间的信息交互；步骤(三)：根据通信中存在的时延类型，利用相应的所述编队控制算法保持编队队形。2.根据权利要求1所述的时延环境下的多无人机协同编队控制方法，其特征在于，在步骤(一)中，设计固定常数时延环境下的编队控制算法：考虑由n架无人机组成多无人机编队系统，无人机之间采用步骤(二)所述的通信拓扑进行通信，信息交互时产生的时间延迟为固定常数τ，假设编队中存在虚拟中心，其运动速度为v0(t)，设计每架无人机的输入分量如式(1)所示：其中，和分别表示无人机i在x、y、z轴上的加速度分量，k1和k2表示控制参数，xi(t-τ)、xj(t-τ)分别表示在t-τ时刻无人机i和无人机j在x轴上的坐标值，yi(t-τ)、yj(t-τ)分别表示在t-τ时刻无人机i和无人机j在y轴上的坐标值，zi(t-τ)、zj(t-τ)分别表示在t-τ时刻无人机i和无人机j在z轴上的坐标值，和分别表示无人机i在x、y、z轴上的速度分量，Ni表示无人机i的邻居无人机个数,和分别表示两架无人机在地面坐标系三个方向上的预定机间距离，bi代表无人机i与虚拟中心的信息交换情况，当无人机i收到虚拟中心的信息时，bi＝1，否则bi＝0；若存在正定的对称矩阵P、Q、R满足不等式(2)，则编队控制算法(1)可使编队在具有固定常数时延的情况下全局渐进收敛于预定编队队形：其中，Λ1＝(E+F)TP+P(E+F)+τETRE+Q，L为邻接矩阵对应的Laplance矩阵，B＝diag{b1,b2,…,bn}，In＝[1,1,…1]T∈Rn。3.根据权利要求1所述的时延环境下的多无人机协同编队控制方法，其特征在于，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓丽，林倩玉，王喆，盖淑莹，王玉彤，姜珊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东,37