基于领航跟随模式的固定翼无人机集群仿射编队控制方法技术

本发明专利技术公开一种基于领航跟随模式的固定翼无人机集群仿射编队控制方法，步骤包括：S1.基于领航跟随者模式，确定固定翼无人机编队中领航者与跟随者，并确定名义编队的构型以及集群的通信拓扑结构，以及计算名义编队的应力矩阵；S2.实时获取固定翼无人机编队中领航者的飞行状态，控制领航者沿期望的飞行轨迹运动，同时控制各领航者之间彼此协同生成期望的编队队形；S3.使用基于应力矩阵的编队跟踪控制律，控制固定翼无人机编队中跟随者跟踪领航者的运动轨迹，同时控制各跟随者在协同控制作用下调整各自无人机之间的相对位置关系，实现目标队形的生成与仿射变换。本发明专利技术具有灵活性强、环境适应性以及控制性能好等优点。环境适应性以及控制性能好等优点。环境适应性以及控制性能好等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于领航跟随模式的固定翼无人机集群仿射编队控制方法


[0001]本专利技术涉及无人机集群控制
，尤其涉及一种基于领航跟随模式的固定翼无人机集群仿射编队控制方法。

技术介绍

[0002]编队飞行在实际应用中有重要意义，一方面可以减少固定翼无人机的能源消耗，增加航程；另一方面也可以增强集群的协作性与容错性，提高目标任务的完成率。固定翼无人机是实现空中编队的理想平台，其编队飞行控制方法也成为当前研究热点。
[0003]现有技术中存在众多的多智能体编队控制方法，但是均各有优缺点，例如领航跟随者方法是目前应用最为广泛的编队控制方法，具有良好的扩展性，但是鲁棒性和容错性较差；人工势场法物理意义明确，但是容易陷入局部极值；基于一致性理论的编队控制方法难以在不增加控制协议复杂度的基础上拓展编队的机动能力。仿射编队控制是一种新的基于一致性理论的编队控制方法，其主要控制思想是通过对预先设计的名义编队进行仿射变换操作，以改变多智能体编队的队形，实现平移、旋转、拉伸、剪切以及它们的组合操作，提升编队的机动灵活性。但是目前针对仿射编队控制的研究尚未成熟，编队中领航者机动性能不足，同时缺少与跟随者的协同能力，这大大限制了仿射编队控制方法的实用性。
[0004]此外，现有技术中的无人机编队控制通常是特定针对于旋翼机，并不适用于固定翼无人机。而相比于旋翼机，固定翼无人机滞空时间长、飞行距离远且飞行速度快，也因此被广泛地应用在对无人机机动能力、运载能力要求较高的任务中，加上固定翼无人机具有非完整约束飞行运动学特性，更加增加了固定翼无人机编队控制的复杂度。
[0005]综上，针对固定翼无人机的编队控制，目前主要存在以下问题：
[0006]1、传统的多智能体编队控制方法不适用于固定翼无人机集群的编队控制，目前缺乏特定针对固定翼无人机集群的编队控制方法，特别是在环境复杂、无人机数量众多、任务需求多样的情况下，缺少灵活性高、性能表现好的固定翼无人机集群控制方法；
[0007]2、仿射编队控制方法作为一种新颖的有应用潜力的多智能体集群编队控制策略，可以适应多样的地形环境与目标任务，但是现有技术中的仿射编队控制方法尚不能给直接适用于对固定翼无人机集群的控制中。

技术实现思路

[0008]本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种灵活性强、环境适应性以及控制性能好的基于领航跟随模式的固定翼无人机集群仿射编队控制方法。
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0010]一种基于领航跟随模式的固定翼无人机集群仿射编队控制方法，步骤包括：
[0011]S1.仿射分层控制框架构建：基于领航跟随者模式，确定固定翼无人机编队中领航者与跟随者，并根据任务需求确定名义编队的构型以及集群的通信拓扑结构，以及根据所
述通信拓扑结构计算所述名义编队的应力矩阵；
[0012]S2.领航者编队生成：实时获取固定翼无人机编队中所述领航者的飞行状态，控制所述领航者沿期望的飞行轨迹运动，同时控制各所述领航者之间彼此协同生成期望的编队队形；
[0013]S3.跟随者编队跟踪：使用基于所述应力矩阵的编队跟踪控制律，控制固定翼无人机编队中所述跟随者跟踪所述领航者的运动轨迹，同时控制各所述跟随者在协同控制作用下调整各自无人机之间的相对位置关系，实现目标队形的生成与仿射变换。
[0014]进一步的，所述步骤S2中，对所述领航者使用基于拟态物理法生成的分布式编队控制律，通过模仿物理力配置作用于无人机的虚拟力，以使得编队中的对应无人机在虚拟力的作用下收敛到期望速度与位置，生成期望的编队队形。
[0015]进一步的，所述步骤S2的具体步骤包括：
[0016]步骤S2
‑
1、获取无人机集群期望的飞行轨迹，当有一架虚拟无人机沿所述期望的飞行轨迹运动时，将当前虚拟无人机的速度与位置信息作为导航信息通过广播传递给真实无人机；
[0017]步骤S2
‑
2、所述领航者根据所述导航信息以及自身的飞行状态信息、邻居无人机的飞行状态信息，在预设控制律的作用下计算出对应领航者无人机的期望速度与期望角速率；
[0018]步骤S2
‑
3、将所述步骤S2
‑
2中得到的期望速度与期望角速率作为上层控制量，解算出对应领航者无人机的直接控制量以控制所述领航者。
[0019]进一步的，所述基于拟态物理法生成的分布式编队控制律具体按照以下步骤生成得到：
[0020]定义三个作用于无人机i的虚拟力f
p
,f
v
,f
ω
：
[0021][0022]f
v
＝v
c
h
c
[0023][0024]其中，为引力常数，p
c
为虚拟无人机的位置，v
c
与ω
c
分别为虚拟无人机的飞行速度与角速度，p
i
为无人机集群中无人机i的实际位置，为无人机集群中无人机i的期望位置，p
j
为无人机集群中无人机j的实际位置，N
i
为无人机i的邻居无人机，l＝{l
ij
}为以虚拟无人机的位置为基准定义的目标编队的队形参数，l
ij
代表无人机i与邻居无人机之间的相对距离，h
c
＝[cosθ
c
，sinθ
c
]T
、为航向向量；
[0025]以及定义用于约束控制量的取值范围的饱和函数sat(x,a,b)：
[0026][0027]使用所述虚拟力f
p
,f
v
,f
ω
以及所述饱和函数sat(x,a,b)，得到领航者的所述分布
式编队控制律为：
[0028][0029][0030]其中，v
i
和ω
i
分别代表无人机i的速度和角速度，v
max
和v
min
分别代表无人机线速度的上限与下限，ω
max
是角速度取值的上限。
[0031]进一步的，所述步骤S3的步骤包括：
[0032]步骤S3
‑
1、实时获取所述领航者与其他邻居无人机的飞行信息，以及所述跟随者根据集群中无人机的通信拓扑结构获取邻居无人机的飞行状态信息，并在基于所述应力矩阵的编队跟踪控制律的作用下计算出对应跟随者无人机的期望速度与期望角速率；
[0033]步骤S3
‑
2、将步骤S3
‑
1中得到的期望速度与期望角速率作为上层控制量，解算出对应跟随者无人机的直接控制量以控制所述跟随者。
[0034]进一步的，所述基于所述应力矩阵的编队跟踪控制律具体按照以下步骤构建得到：
[0035]实时获取领航者的飞行信息以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于领航跟随模式的固定翼无人机集群仿射编队控制方法，其特征在于，步骤包括：S1.仿射分层控制框架构建：基于领航跟随者模式，确定固定翼无人机编队中领航者与跟随者，并根据任务需求确定名义编队的构型以及集群的通信拓扑结构，以及根据所述通信拓扑结构计算所述名义编队的应力矩阵；S2.领航者编队生成：实时获取固定翼无人机编队中所述领航者的飞行状态，控制所述领航者沿期望的飞行轨迹运动，同时控制各所述领航者之间彼此协同生成期望的编队队形；S3.跟随者编队跟踪：使用基于所述应力矩阵的编队跟踪控制律，控制固定翼无人机编队中所述跟随者跟踪所述领航者的运动轨迹，同时控制各所述跟随者在协同控制作用下调整各自无人机之间的相对位置关系，实现目标队形的生成与仿射变换。2.根据权利要求1中所述的基于领航跟随模式的固定翼无人机集群仿射编队控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，对所述领航者使用基于拟态物理法生成的分布式编队控制律，通过模仿物理力配置作用于无人机的虚拟力，以使得编队中的对应无人机在虚拟力的作用下收敛到期望速度与位置，生成期望的编队队形。3.根据权利要求2所述的基于领航跟随模式的固定翼无人机集群仿射编队控制方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤包括：步骤S2
‑
1、获取无人机集群期望的飞行轨迹，当有一架虚拟无人机沿所述期望的飞行轨迹运动时，将当前虚拟无人机的速度与位置信息作为导航信息通过广播传递给真实无人机；步骤S2
‑
2、所述领航者根据所述导航信息以及自身的飞行状态信息、邻居无人机的飞行状态信息，在预设控制律的作用下计算出对应领航者无人机的期望速度与期望角速率；步骤S2
‑
3、将所述步骤S2
‑
2中得到的期望速度与期望角速率作为上层控制量，解算出对应领航者无人机的直接控制量以控制所述领航者。4.根据权利要求2中所述的基于领航跟随模式的固定翼无人机集群仿射编队控制方法，其特征在于，所述基于拟态物理法生成的分布式编队控制律具体按照以下步骤生成得到：定义三个作用于无人机i的虚拟力f
p
,f
v
,f
ω
：f
v
＝v
c
h
c
其中，为引力常数，p
c
为虚拟无人机的位置，v
c
与ω
c
分别为虚拟无人机的飞行速度与角速度，p
i
为无人机集群中无人机i的实际位置，为无人机集群中无人机i的期望位置，p
j
为无人机集群中无人机j的实际位置，N
i
为无人机i的邻居无人机，l＝{l
ij
}为以虚拟无人机的位置为基准定义的目标编队的队形参数，l
ij
代表无人机i与邻居无人机j之间的相对距离，h
c
＝[cosθ
c
,sinθ
c
]
T
、为航向向量；
以及定义用于约束控制量的取值范围的饱和函数sat(x,a,b)：使用所述虚拟力f
p
,f
v
,f
ω
以及所述饱和函数sat(x,a,b)，得到领航者的所述分布式编队控制律为：队控制律为：其中，v
i
和ω
i
分别代表无人机i的速度和角速度，v
max
和v
min
分别代表无人机线速度的上限与下限，ω
max
是角速度取值的上限。5.根据权利要求1所述的基于领航跟随模式的固定翼无人机集群仿射编队控制方法，其特征在于，所述步骤S3的步骤包括：步骤S3
‑
1、实时获取所述领航者与其他邻居无人机的飞行信息，以及所述跟随者根据集群中无人机的通信拓扑结构获取邻居无人机的飞行状态信息，并在基于所述应力矩阵的编队跟踪控制律的作用下计算出对应跟随者无人机的期望速度与期望角速率；步骤S3
‑
2、将步骤S3...

【专利技术属性】
技术研发人员：王祥科，李慧铭，陈浩，丛一睿，张梦鸽，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：