一种基于领航跟随的无人机编队控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于领航跟随的无人机编队控制方法，属于无人机控制领域，包括：根据无人机编队的领航机飞行状态，建立领航机动态飞行模型；根据领航机动态飞行模型，建立跟随机受控动态飞行模型；引入双假设条件约束控制器子模型至跟随机受控动态飞行模型；根据跟随机受控动态飞行模型，对无人机编队进行领航跟随控制。本发明专利技术的无人机编队控制方法条件约束少，计算开销小，适应无人机编队多变的飞行环境。境。境。

【技术实现步骤摘要】
一种基于领航跟随的无人机编队控制方法


[0001]本专利技术涉及无人机控制领域，具体涉及一种基于领航跟随的无人机编队控制方法。

技术介绍

[0002]目前，无人机编队控制算法逐渐成为研究热点。与单无人机相比，多无人机编队飞行可以提升定位精度和工作效率，一定程度上还可以减少飞行阻力。但多无人机系统也比较复杂，无人机在飞行过程中会受到地形环境因素的影响，通信条件的变化、无人机的故障都给无人机的编队控制带来了不确定性。为了让无人机能够顺利实现编队，产生了许多分布式编队控制方法，如领航跟随法，虚拟结构法，人工势场法等，这些方法被不断应用于无人机编队控制领域。
[0003]现有的无人机编队控制方法多假定了许多复杂的条件约束，或是弱化了证明步骤。在实际工程应用中，无人机大多不能或是很难满足约束条件的要求，而缺乏完备的证明步骤就导致了控制方法不能适应多变的飞行环境。除此之外，现有方法的计算开销较大，无人机无法承受，不易于工程实现。
[0004]因此，设计具有简单条件约束以及完备证明步骤的多无人机系统编队控制方法就成为了亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种基于领航跟随的无人机编队控制方法解决了现有无人机编队控制方法条件约束多，计算开销大，缺乏完备的证明步骤，不适应无人机编队多变的飞行环境的问题。
[0006]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种基于领航跟随的无人机编队控制方法，包括以下步骤：/>[0008]S1、根据无人机编队的领航机飞行状态，建立领航机动态飞行模型；
[0009]S2、根据领航机动态飞行模型，建立跟随机受控动态飞行模型；
[0010]S3、引入双假设条件约束控制器子模型至跟随机受控动态飞行模型；
[0011]S4、根据跟随机受控动态飞行模型，对无人机编队进行领航跟随控制。
[0012]本专利技术的有益效果为：采用领航跟随的无人机编队构建方式，先根据领航机的飞行状态建立模型，再以此建立跟随机的受控动态飞行模型，引入双假设条件约束的控制器子模型，对无人机编队进行领航跟随控制，条件约束少，计算开销小，适应无人机编队多变的飞行环境。
[0013]进一步地，所述步骤S1的领航机动态飞行模型的表达式为：
[0014][0015]其中，x0为领航机的飞行状态矢量，A为系统矩阵，为领航机飞行状态矢量x0的
时域一阶导数。
[0016]上述进一步方案的有益效果为：系统矩阵A表征了无人机编队在没有控制量参与时自发的飞行状态变更规律，采用矢量序列和矩阵的方式建模，相对于一维的微积分模型，更接近于复杂多变的无人机编队飞行环境。
[0017]进一步地，所述步骤S2的跟随机受控动态飞行模型的表达式为：
[0018][0019]其中，x
i
为第i个跟随机的飞行状态矢量，为第i个跟随机的飞行状态矢量x
i
的时域一阶导数，r
i
为第i个跟随机的编队信息矢量，B为控制矩阵，u
i
为第i个跟随机的控制信号矢量，i为闭区间[1，N]内的正整数，N为无人机编队的跟随机的总数量。
[0020]上述进一步方案的有益效果为：本专利技术采用的领航跟随的无人机编队构建方式，需要对跟随机的飞行状态进行控制，以形成稳定的编队系统，控制矩阵B用以表征控制信号矢量u
i
对跟随机的飞行状态的控制效果，该模型可准确拟合无人机编队各个跟随机的受控动态飞行效果。
[0021]进一步地，所述步骤S3的双假设条件约束控制器子模型的表达式为：
[0022][0023]其中，C为反馈矩阵，w
ij
为无人机编队拓扑图邻接矩阵W第i行第j列元素，x
j
为第j个跟随机的飞行状态矢量，r
j
为第j个跟随机的编队信息矢量，j为闭区间[1，N]内的正整数，k
i
为第i个跟随机与领航机的信息交互状态量，若第i个跟随机与领航机存在信息交互，则k
i
为1，若第i个跟随机与领航机不存在信息交互，则k
i
为0。
[0024]上述进一步方案的有益效果为：由于现实中控制系统的控制量输入向被控设备后，被控设备的反应不一定与控制量呈现一维线性关系，因此本专利技术设定了反馈矩阵C，用以表征无人机编队跟随机接收控制信号矢量u
i
后的动作反馈，利用其指引控制信号矢量u
i
的求解；而无人机编队拓扑图则利用了图论科学知识，将所有跟随机视作点，跟随机互相之间以及跟随机与领航机之间的无线通信信道视作边，构成了无人机编队拓扑图，无人机编队拓扑图的边在数理上采用邻接矩阵W予以表征，而W矩阵的第i行第j列元素则表征着第i个跟随机与第j个跟随机的无线通信信道的通信状态，在考虑第i个跟随机与领航机的信息交互状态量的情况下，构建了一个完备的无人机编队相互校正迭代飞行状态的飞控模型。
[0025]进一步地，所述步骤S3的双假设条件约束控制器子模型的第一条件约束为：无人机编队拓扑图存在有向生成树。
[0026]上述进一步方案的有益效果为：第一条件约束保证了任意两架无人机之间总可以完成信息的交互，即使它们之间不存在直接连接，如果无人机编队不满足第一条件约束会造成某架或者多架无人机的孤立。
[0027]进一步地，所述步骤S3的双假设条件约束控制器子模型的第二条件约束为：
[0028]P＝P
T
[0029]P＞0
[0030]P
T
＞0
[0031]A
T
P+PA
‑
2ρPBB
T
P+ρI
n
＜0
[0032]C＝B
T
P
[0033]其中，P为对称正定矩阵，ρ为参数矩阵H的最小特征值，参数矩阵H＝K+L，K为无人机编队信息交互状态矩阵，L为无人机编队拓扑图邻接矩阵W的拉普拉斯矩阵，I
n
为n维单位矩阵，n为闭区间[1，N]内的正整数。
[0034]上述进一步方案的有益效果为：第二条件约束限定了无人机编队的系统矩阵A、控制矩阵B、反馈矩阵C的数理条件，是无人机编队能够稳定成队的必要条件。
附图说明
[0035]图1为本专利技术实施例的基于领航跟随的无人机编队控制方法流程示意图；
[0036]图2为本专利技术实施例无人机编队的初始队列和预设队列示意图；
[0037]图3为本专利技术实施例跟随机的编队误差时域图；
[0038]图4为本专利技术实施例无人机编队飞行轨迹在x
‑
y空间平面的投影图；
[0039]图5为本专利技术实施例无人机编队飞行轨迹在x
‑
z空间平面的投影图。
具体实施方式
[0040]下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本技本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于领航跟随的无人机编队控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据无人机编队的领航机飞行状态，建立领航机动态飞行模型；S2、根据领航机动态飞行模型，建立跟随机受控动态飞行模型；S3、引入双假设条件约束控制器子模型至跟随机受控动态飞行模型；S4、根据跟随机受控动态飞行模型，对无人机编队进行领航跟随控制。2.根据权利要求1所述的基于领航跟随的无人机编队控制方法，其特征在于，所述步骤S1的领航机动态飞行模型的表达式为：其中，x0为领航机的飞行状态矢量，A为系统矩阵，为领航机飞行状态矢量x0的时域一阶导数。3.根据权利要求2所述的基于领航跟随的无人机编队控制方法，其特征在于，所述步骤S2的跟随机受控动态飞行模型的表达式为：其中，x
i
为第i个跟随机的飞行状态矢量，为第i个跟随机的飞行状态矢量x
i
的时域一阶导数，r
i
为第i个跟随机的编队信息矢量，B为控制矩阵，u
i
为第i个跟随机的控制信号矢量，i为闭区间[1,N]内的正整数，N为无人机编队的跟随机的总数量。4.根据权利要求3所述的基于领航跟随的无人机编队控制方法，其特征在于，所述步骤S3的双假设条件约束控制器子模型的表达式为：其中，C为反馈矩阵，w
ij
为无人机编队拓扑图邻接矩阵W第i行第j列元素，x
j...

【专利技术属性】
技术研发人员：骆春波，丁谦，罗杨，李智，曹英杰，杨秉鸿，沙小豹，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：