主-从模式的多无人机编队一致性控制方法技术

本发明专利技术提供的主‑从模式的多无人机编队一致性控制方法，运用于无人机协同控制中，从机地位平等，执行的控制算法相同，不存在中心控制节点，属于分布式的控制架构；可借助主机控制编队的飞行状态；本发明专利技术可适应多种通信网络拓扑结构形式，避免了集中式控制全部无人机与控制中心连接的网络拓扑形式，通信网络选择的灵活性，为无人机编队应用带来了更好的可扩展性、容错性与适应性；分布式的控制架构去除了集中式控制架构中的控制中心，因此不存在因中心控制节点毁坏编队失效的现象；控制无人机编队的计算任务，由控制中心分散到成员无人机的机载计算机，大幅提高了编队整体计算能力，解除了计算能力引发的性能瓶颈。

【技术实现步骤摘要】
主-从模式的多无人机编队一致性控制方法
本专利技术属于无人机制导控制
，具体涉及主-从模式的多无人机编队一致性控制方法。
技术介绍
多无人机编队飞行是指多架无人机编排成一定的队形一起飞行的形式。编队控制技术贯穿于多无人机编队飞行的整个过程中，对于任务的顺利开展和完成具有重要的意义。当前无人机编队控制多采用集中式架构控制方法。集中式控制架构需要设置一个控制中心，该中心掌控全局状态信息，负责控制算法解算与指令生成，并通过通信链路向成员无人机发送指令。成员无人机响应控制中心的指令，实现编队形成、保持、变换等控制功能。控制中心可设置在地面，也可搭载于编队无人机中。集中式控制架构能够从全局上对无人机编队控制问题进行处理，目前广泛用于各类无人机编队控制应用中。然而，集中式架构的编队控制方法很难适用于信号干扰，环境复杂多变的任务场景中。主要制约因素有以下两个方面。(1)集中架构控制严重依赖无人机与控制中心间可靠通信。无人机编队与控制中心间，需通过稳定可靠的通信链路传送状态信息与控制指令。随着编队无人机数量增多，网络传输量显著增多，这对系统通信带宽、抗干扰性均提出了很高的要求。在军事与民用领域，无人机编队将在更恶劣的飞行环境下应用。例如：在未来信息化、网络化、体系对抗作战环境下，电磁干扰是无人机集群对抗的主要方式；无人机编队在电力巡检应用中，不可避免地受到强电磁环境干扰。(2)控制中心成为系统性能瓶颈。编队的全局状态信息与控制信号全部集中于控制中心，如果控制中心处理能力达到上限，将制约编队系统性能进一步提升。此外，控制中心如果发生故障或受到攻击被摧毁，将导致整个编队系统瘫痪，系统结构的鲁棒性差。上述因素严重制约了集中架构的无人机编队在现实场景中的应用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种主-从模式的多无人机编队一致性控制方法，可灵活选择通信网络拓扑结构，有效避免了控制中心节点带来的问题。主-从模式的多无人机编队一致性控制方法，包括如下步骤：步骤1：选取无人机群中任意一个无人机为主机，其余设定为从机；主机至少与一个从机直接通信，则该从机为固定节点；其它从机从固定节点直接或者间接进行通信，由此建立主机与从机间以及从机与从机间的通信网络，该通信网络拓扑结构为包含一个根在固定节点的有向生成树；用Laplacian矩阵描述从机间通信拓扑结构，矩阵描述主机与从机间通信拓扑结构；步骤2：主机动力学被描述为：从机动力学被描述为：其中，x0表示主机的状态向量，xi表示第i个从机的状态向量，i＝1,...,N，N表示从机数量；ui为控制输入向量；A为一般线性系统的系统矩阵，B为控制矩阵，并且矩阵(A,B)是能控的；主-从模式的一致性控制律为：aij为通信网络相关联邻接矩阵中的元素，表示第i个无人机与第j个无人机之间的通信关系，当无人机i可以接受无人机j的信息时，aij＝1，反之aij＝0；通过求解代数黎卡提方程式(6)得到正定矩阵Y，并计算获得算法中增益矩阵K＝-T-1BTY；设T＝TT>0，Q＝QT>0分别为对称的正定矩阵，存在特定的Y＝YT>0使得如下黎卡提不等式成立：YA+ATY-2θminYBT-1BTY+Q≤0(6)增益系数c的下边界要求大于1/α；其中α＝λmax(H)/2；其中，存在正定对角矩阵Θ＝diag{θ1,...,θN}使得θmin＝min(θi)；步骤3：主机按照设定的制导控制律飞行，向可通信的从机广播自身状态向量，从机之间通过通信网络获取邻近节点无人机的状态向量，从机根据公式(5)各自计算生成一致性控制指令，最终由无人机自动驾驶仪执行，实现无人机编队一致性控制。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提供的主-从模式的多无人机编队一致性控制方法，运用于无人机协同控制中，从机无人机地位平等，执行的控制算法相同，不存在中心控制节点，属于分布式的控制架构。本专利技术为分布式控制的无人机协同控制应用提供了控制理论基础。可借助主机控制编队的飞行状态；本专利技术可适应多种通信网络拓扑结构形式，避免了集中式控制全部无人机与控制中心连接的网络拓扑形式。通信网络选择的灵活性，为无人机编队应用带来了更好的可扩展性、容错性与适应性；分布式的控制架构去除了集中式控制架构中的控制中心，因此不存在因中心控制节点毁坏编队失效的现象；控制无人机编队的计算任务，由控制中心分散到成员无人机的机载计算机，大幅提高了编队整体计算能力，解除了计算能力引发的性能瓶颈；无人机无需和控制中心通信，只需与成员无人机间保持通信即可，大大降低了网络通信量。并且无人机与编队成员间通信距离远小于与控制中心通信距离，无人机编队的通信抗干扰能力与可靠性大幅提高。附图说明图1无人机通信拓扑结构示意图；图2多无人机一致性控制示意图；图3多无人机编队队形示意图；图4多无人机分布式协同编队控制结构框图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供一种主-从模式的多无人机一致性控制算法。该方法通过编队无人机交换协同状态信息，构建状态一致性控制器，分布式地计算生成控制指令，控制实现无人机一个或多个状态趋于一致。本方法可作为无人机编队控制架构的基本控制器。编队无人机分为主机与从机，主机不接受从机信息，从机间可相互通信，也可接受主机信息。本方法可灵活选择通信网络拓扑结构，有效避免了控制中心节点带来的问题。主-从模式的多无人机一致性控制方法，包括以下步骤：步骤1：选取无人机中主机，其余设定为从机。建立N架无人机从机间通信网络，主机至少与一个从机直接通信，则该从机就为固定节点；其它从机从固定节点直接或者间接进行通信；在此基础上建立主机与从机间通信网络，明确主-从无人机间通信关系。无人机通信网络拓扑结构应包含根在固定节点vir,bir>0的有向生成树。步骤2：选定无人机某飞行状态量为协同状态，按照主-从模式的一致性算法设计分布式的一致性控制器。步骤3：计算控制器增益矩阵和增益系数下界，设计选取合适的参数，以满足算法稳定性要求。增益系数应满足c>1/α，其中α＝λmax(H)/2，增益矩阵为K＝-T-1BTY，正定矩阵Y为满足式(6)黎卡提不等式的解。步骤4：主机按照独立的制导控制律飞行，向可通信的从机广播自身状态信息，从机之间通过通信网络获取邻近节点无人机的协同状态，从机根据协同状态与主机状态分布式地计算生成一致性控制指令。步骤5：将生成的一致性控制指令传递至无人机下一控制环节，最终由无人机自动驾驶仪执行，实现无人机状态一致性控制。步骤6：在多无人机执行一致性控制中，应在每一个控制器节拍中执行步骤4和步骤5，直到多无人机一致性控制状态结束。实施例：以从机无人机数N＝4为例，说明一致性算法具体实施方式。首先，在实施一致性控制算法前，需要为无人机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.主-从模式的多无人机编队一致性控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：选取无人机群中任意一个无人机为主机，其余设定为从机；主机至少与一个从机直接通信，则该从机为固定节点；其它从机从固定节点直接或者间接进行通信，由此建立主机与从机间以及从机与从机间的通信网络，该通信网络拓扑结构为包含一个根在固定节点的有向生成树；用Laplacian矩阵

【技术特征摘要】
1.主-从模式的多无人机编队一致性控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：选取无人机群中任意一个无人机为主机，其余设定为从机；主机至少与一个从机直接通信，则该从机为固定节点；其它从机从固定节点直接或者间接进行通信，由此建立主机与从机间以及从机与从机间的通信网络，该通信网络拓扑结构为包含一个根在固定节点的有向生成树；用Laplacian矩阵描述从机间通信拓扑结构，矩阵描述主机与从机间通信拓扑结构；
步骤2：主机动力学被描述为：



从机动力学被描述为：



其中，x0表示主机的状态向量，xi表示第i个从机的状态向量，i＝1,...,N，N表示从机数量；ui为控制输入向量；A为一般线性系统的系统矩阵，B为控制矩阵，并且矩阵(A,B)是能控的；
主-从模式的一致性控制律为：

【专利技术属性】
技术研发人员：于剑桥，郑世钰，陈曦，李佳迅，郭斐然，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11