一种协同高空长航时无人机连接控制方法技术

本发明专利技术涉及一种协同高空长航时无人机连接控制方法，建立高空长航时无人机运动模型；确定控制量与约束条件；建立控制模型，研究完成此连接过程中消耗整体无人机编队S'最少能量ES'的控制策略；考虑了单架无人机的能量状态以及与已完成连接的无人机编队的距离的分配连接顺序；协同高空长航时无人机连接后进行编队内无人机的最优飞行速度计算，保证在最佳能量状态下飞行。开发了基于能量的连接过程，利用最短路径规划实现节能连接，使编队内部的能量分布更均匀；编队的最终能量分布不受起始距离的影响，使用连接优先级来确定连接顺序可以显著降低编队内的最终能量分配；连接形成的无人机群整体比未连接无人机编队消耗的能量显著降低，飞行范围大大增加。

A Connection Control Method for Collaborative High Altitude Long-endurance UAV

The invention relates to a joint control method for cooperative high altitude long endurance UAV, which establishes the motion model of high altitude long endurance UAV, determines the control quantity and constraints, establishes a control model, studies the control strategy of consuming S'least energy ES'of the whole UAV formation in the process of completing the connection, and considers the energy state of a single UAV and the UAV formation that has completed the connection. Distance allocation and connection sequence, and the optimal flight speed of the formation UAV is calculated after the high altitude and long endurance UAV is connected, so as to ensure the flight in the optimal energy state. The energy-based connection process is developed, and the shortest path planning is used to realize energy-saving connection, so that the energy distribution within the formation is more uniform; the final energy distribution of the formation is not affected by the initial distance, and the final energy distribution in the formation can be significantly reduced by using the connection priority to determine the connection order; the energy consumption of the connected UAV fleet as a whole is higher than that of the unconnected UAV fleet. The flight volume was significantly reduced and the flight range was greatly increased.

【技术实现步骤摘要】
一种协同高空长航时无人机连接控制方法
本专利技术涉及一种控制技术，特别涉及一种协同高空长航时无人机连接控制方法。
技术介绍
为了提升无人机的续航能力，提高多无人机任务完成效能，新型无人机和编队飞行控制已经成为研究的热点。关于飞机的节能飞行，在路径规划和热动学方面有过相关讨论，也有无线充电、推进源交替和编队飞行节能技术的研究。早期的飞机节能优化控制研究主要集中在时间或燃料状态上。高空长航时无人机是一种新型无人机，高空长航时无人机的飞行时间可达几个月甚至几年，但翼展达数十米，极大地限制了支持这种无人机的机场数量，且大翼展轻型无人机也很难进行快速部署。目前，高空长航时无人机的研究主要集中在具有大展弦比的太阳能无人机方面。太阳能飞机会受到发电效率的制约，一般有以下三种策略可以提升太阳能无人机的续航能力。利用较大的纵横比来减少阻力；利用最优控制进行路径规划；通过紧密编队飞行获得空气动力优势。目前，单机的气动布局和气动性能都相对比较成熟，要想再提高气动性能难度较大。针对编队飞行的研究成为研究的热点，紧密编队飞行的空气动力优势产生的节能效果也较明显，许多大型鸟类在长途迁徙中经常按某种队形飞行，如大雁排成“一”字队形进行迁徙。
技术实现思路
本专利技术是针对无人机配合作业的问题，提出了一种协同高空长航时无人机连接控制方法，针对高空长航时无人机进行连接，形成紧密编队进行节能飞行的控制解决方法。本专利技术的技术方案为：一种协同高空长航时无人机连接控制方法，具体包括如下步骤：1)建立高空长航时无人机运动模型：高空长航时无人机相对地面运动模型的系统运动方程式如下：其中，i∈{1,2,…,N}表示无人机在编队中序号，N为编队中无人机的数量；分别为无人机i在水平面x轴和y轴上的速度分量；为无人机i的航向角ψi求导得到的机动速度；Vi为无人机i的飞行速度；αi为无人机i的法向加速度；2)确定控制量与约束条件：选取包括速度和机动速度的向量作为控制量，设Vi,min为无人机i的可用最小速度，Vi,max为无人机i的可用最大速度，且速度的约束与已连接无人机的数量无关，关系为：Vi,min≤Vi≤Vi,max已连接无人机的机动速度约束为：其中，为已完成连接的无人机的机动速度；为已完成连接的n架无人机的最大机动速度；n∈{2,…,N}为已完成连接的无人机数量；记无人机i的状态量为Xi(k)＝[x(k)y(k)ψ(k)]T，则对系统运动方程式进行线性化和离散化，可以等价地以矩阵形式表述为：其中，k＝0,1,2,…,K为离散时刻；K为离散时刻数量；Δt为离散步长；Wi为零均值高斯白噪声，满足均值为零的正态分布；3)确定节能连接的顺序：根据单架无人机的能量状态以及与已完成连接的无人机编队的距离来确定分配连接顺序；4)使用零升阻力方程，确定编队内无人机的最优飞行速度；5)建立控制模型：具有状态向量Xi(k)的无人机i必须依次与已完成连接的无人机编队S"进行连接，完成此连接过程中消耗整体无人机编队S'最少能量ES'的控制策略，太阳能无人机能量最优连接策略问题的控制目标函数为：其中，nk为时域长度；E0,S'为无人机编队S'未开始进行连接的初始能量状态；ES'(k+j)为无人机编队S'在k+j时刻所消耗的能量，时域值与连接的时长有关，连接时间越长时域值越大；C为节能连接策略；连接中的无人机最终位置的约束如下：Φi＝||XS"(k+nk-1)-Xi(k+nk-1)||＝ri,S"其中，ri,S"为无人机与连接目标的期望距离，XS"(k+nk-1)为k+nk-1时刻已完成连接的无人机编队S"的状态量。所述步骤3)确定节能连接的顺序具体步骤如下：已经连接编队“能量中心”方程表达式如下：其中，为已完成连接的无人机i的状态Xi(k)＝[x(k)y(k)ψ(k)]T的样本均值，E0是未进行连接时无人机编队的平均初始能量状态，Ei是已完成连接的无人机i的当前能量状态；已连接无人机编队中单架无人机与已连接无人机编队“能量中心”的距离表达式为：其中，分别为已完成连接的无人机i的状态均值的x轴和y轴分量，分别为能量中心的x轴和y轴分量；连接优先级的表达式为：其中，Ωd是Ei与距离间的加权值；R为无人机未开始进行连接时的起始平均距离；Qd值越大优先级越高。所述编队内无人机的最优飞行速度的获取方法如下：无人机的能量消耗率使用零升阻力方程来近似，由n架无人机编队S'功率消耗近似计算表达式为：PS'(V,n)＝TV其中，V为无人机编队的空速；T为无人机编队整体的螺旋桨推力；T＝D无人机编队飞行过程中阻力D的计算如下：其中，ρ为空气密度；S为机翼面积；CD的表达式为：其中，为零升阻力系数；λ为展弦比；e为Oswald效率系数；升力系数CL的表达式为：其中，为零升力系数；为升力线斜率；α为功角；无人机编队的升力为：无人机定高飞行时，升力与重力有如下关系：其中，mi为无人机i的质量；为滚转角；联立无人机编队的升力式和升力与重力关系式，可求得无人机的最优飞行速度为：本专利技术的有益效果在于：本专利技术协同高空长航时无人机连接控制方法，开发了基于能量的连接过程，利用最短路径规划实现节能连接，使编队内部的能量分布更均匀；编队的最终能量分布不受起始距离的影响，使用连接优先级来确定连接顺序可以显著降低编队内的最终能量分配；连接形成的无人机群整体比未连接无人机编队消耗的能量显著降低，飞行范围大大增加。附图说明图1为本专利技术协同高空长航时无人机连接示意图；图2为本专利技术编队基于最优飞行速度的连接方式图；图3为本专利技术节能连接系统组成结构图；图4为本专利技术4架无人机编队的连接过程仿真结果图。具体实施方式协同高空长航时包含控制和协同问题，需要对协同控制、小型低效率无人机的路径规划以及无人机的自主性做进一步的研究。与分散的编队飞行不同，想要使用协同高空长航时系统，需要开发一种无人机交会和连接的编队控制方法。本专利技术方法为协同无人机的分布行动开发了无人机协同机制，提出了在忽略风力下情况下，多架无人机进行顺序连接的节能飞行控制策略。协同高空长航时无人机连接的控制方法的具体步骤如下：步骤一：建立高空长航时无人机运动模型高空长航时无人机相对地面运动模型的系统运动方程式如下：其中，i∈{1,2,…,N}表示无人机在编队中序号，N为编队中无人机的数量；分别为无人机i在水平面x轴和y轴上的速度分量；为无人机i的航向角ψi求导得到的机动速度；Vi为无人机i的飞行速度；αi为无人机i的法向加速度；步骤二：确定控制量与约束条件选取包括速度和机动速度的向量作为控制量，设Vi,min为无人机i的可用最小速度，Vi,max为无人机i的可用最大速度。且速度的约束与已连接无人机的数量无关，关系为：Vi,min≤Vi≤Vi,max(2)已连接无人机的机动速度约束为：其中，为已完成连接的无人机的机动速度；为已完成连接的n架无人机的最大机动速度；n∈{2,…,N}为已完成连接的无人机数量；记无人机i的状态量为Xi(k)＝[x(k)y(k)ψ(k)]T，则对系统运动方程式(1)进行线性化和离散化，可以等价地以矩阵形式表述为：其中，k＝0,1,2,…,K为离散时刻；K为离散时刻数量；Δt为离散步长；Wi为零均值高斯白噪声，满足均值为零的正态分布，即其中：为Wi(k本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种协同高空长航时无人机连接控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：1)建立高空长航时无人机运动模型：高空长航时无人机相对地面运动模型的系统运动方程式如下：

【技术特征摘要】
1.一种协同高空长航时无人机连接控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：1)建立高空长航时无人机运动模型：高空长航时无人机相对地面运动模型的系统运动方程式如下：其中，i∈{1,2,…,N}表示无人机在编队中序号，N为编队中无人机的数量；分别为无人机i在水平面x轴和y轴上的速度分量；为无人机i的航向角ψi求导得到的机动速度；Vi为无人机i的飞行速度；αi为无人机i的法向加速度；2)确定控制量与约束条件：选取包括速度和机动速度的向量作为控制量，设Vi,min为无人机i的可用最小速度，Vi,max为无人机i的可用最大速度，且速度的约束与已连接无人机的数量无关，关系为：Vi,min≤Vi≤Vi,max已连接无人机的机动速度约束为：其中，为已完成连接的无人机的机动速度；为已完成连接的n架无人机的最大机动速度；n∈{2,…,N}为已完成连接的无人机数量；记无人机i的状态量为Xi(k)＝[x(k)y(k)ψ(k)]T，则对系统运动方程式进行线性化和离散化，可以等价地以矩阵形式表述为：其中，k＝0,1,2,…,K为离散时刻；K为离散时刻数量；Δt为离散步长；Wi为零均值高斯白噪声，满足均值为零的正态分布；3)确定节能连接的顺序：根据单架无人机的能量状态以及与已完成连接的无人机编队的距离来确定分配连接顺序；4)使用零升阻力方程，确定编队内无人机的最优飞行速度；5)建立控制模型：具有状态向量Xi(k)的无人机i必须依次与已完成连接的无人机编队S"进行连接，完成此连接过程中消耗整体无人机编队S'最少能量ES'的控制策略，太阳能无人机能量最优连接策略问题的控制目标函数为：其中，nk为时域长度；E0,S'为无人机编队S'未开始进行连接的初始能量状态；ES'(k+j)为无人机编队S'在k+j时刻所消耗的能量，时域值与连接的时长有关，连接时间越长时域...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛阳，王舒，张亚飞，王琳，俞志程，吴海东，张宁，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31