一种低网络带宽条件下多飞艇鲁棒协同控制方法技术

本发明专利技术公开了一种低网络带宽条件下多飞艇鲁棒协同控制方法，包括以下步骤：S1、建立飞艇系统动力学模型以及通信图模型；S2、根据飞艇系统动力学模型设计线性扩张状态观测器，并加入饱和方法，防止扩张状态观测器初期的峰化现象破坏系统稳定性；S3、根据通信图模型，采用均匀量化器，设计编码器和译码器，对进行通信的相邻两飞艇间的信号进行量化、编码、译码处理；S4、基于扩张状态观测器、量化器、编码器、译码器，提出控制协议，使得相邻飞艇在1 bps带宽下进行通信。本发明专利技术采用上述低网络带宽条件下多飞艇鲁棒协同控制方法，扩张状态观测器可以准确估计飞艇的状态和扩张状态，量化器不会发生饱和，多飞艇系统可在1比特带宽下达成输出一致。一致。一致。

【技术实现步骤摘要】
一种低网络带宽条件下多飞艇鲁棒协同控制方法


[0001]本专利技术涉及飞艇协同控制
，尤其是涉及一种低网络带宽条件下多飞艇鲁棒协同控制方法。

技术介绍

[0002]临近空间介于常规航空器的最高飞行高度和航天器的最低轨道高度之间，是跨接航空与航天的新兴领域。随着科学技术的迅猛发展，人类对临近空间的认识逐步深化，其特有的应用价值和战略意义日益凸显，成为各航天航空大国关注的焦点。飞艇作为LTA（Lighter
‑
than
‑
air）飞行器，依靠的是“比空气轻”的内部气体，利用密度的差异在不需要任何额外动力的情况下就能漂浮较长时间。飞艇具有留空时间长、效费比高、隐身性能好、生存能力强等应用优势。飞艇在低空和中高空域都具有良好的应用价值，可用于侦察监视、交通运输、气象观测、应急救灾、通信中继、地图导航等。单飞艇载荷能力和覆盖区域有限，多飞艇协同可使分散的飞艇力量有效结合，具有重要的应用价值。
[0003]现有的多飞艇协同控制技术存在如下缺陷：首先，现有技术没有充分考虑飞艇动态特性的不确定性、外部干扰的未知性、以及多飞艇系统的异构性；其次，在实际应用时，飞艇内部状态无法通过传感器测得，使得现有的全状态反馈控制方法不可适用；最后，多飞艇系统的通信通常在军用数据链中完成，由于数据链需要同时传递多种用途的数据，能够提供给协同控制的网络带宽会受到极大的限制，现有的协同控制方法没有充分考虑网络带宽的限制。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种低网络带宽条件下多飞艇鲁棒协同控制方法，解决上述提到的技术问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种低网络带宽条件下多飞艇鲁棒协同控制方法，包括以下步骤：步骤S1、根据飞艇结构与飞艇坐标系定义，建立飞艇系统动力学模型以及通信图模型；步骤S2、根据步骤S1中得到的飞艇系统动力学模型，设计线性扩张状态观测器对飞艇的内部状态及扩张状态进行估计，给出扩张状态观测器收敛的条件，并加入饱和方法，防止扩张状态观测器初期的峰化现象破坏系统稳定性；步骤S3、根据步骤S1中的通信图模型，采用均匀量化器，并基于量化器设计编码器和译码器，对进行通信的相邻两飞艇间的信号进行量化、编码、译码处理，使飞艇间通信带宽为1 bps；步骤S4、基于步骤S2设计的扩张状态观测器与步骤S3中设计的量化器、编码器、译码器，提出控制协议，使得相邻飞艇在1 bps带宽下进行通信，达成多飞艇系统的协同。
[0006]优选的，所述步骤S1中，飞艇系统动力学模型表示为：
其中，v
i
=Bu
i
，z
i1
代表第i个飞艇在艇体坐标系z轴的位置，z
i2
代表第i个飞艇在艇体坐标系z轴的速度，F
i
为飞艇系统不确定非线性动态，B为控制增益，y
i
为飞艇系统输出，u
i
为飞艇系统输入向量，为外部扰动。
[0007]优选的，所述步骤S1中，通信图模型表示为：其中，={1,2,...,N}为N个飞艇组成的数集；是由一对飞艇组成的边集；=[a
ij
]∈R
N
×
N
为加权邻接矩阵，a
ij
=1或0表示飞艇j到飞艇i有或没有通信通道。
[0008]优选的，所述步骤S2中，扩张状态观测器为：其中，＜1为一个小的正常数，观测器增益L
i
=(l
i1
,l
i2
,l
i3
)
T
，满足为Hurwitz矩阵，变量的上标
‘
^
’
表示扩张状态观测器对相应状态变量的估计值，。
[0009]优选的，所述步骤S2中，饱和方法为：其中，变量的上标
‘–’
表示采用了添加饱和函数之后的扩张状态观测器输出，M
m
为饱和边界。
[0010]优选的，所述步骤S3中，量化器为：
其中，；信号s
i
在离散时间下进行传递，对于采样时间T，t=kT(k=0,1,2,3
……
)时刻信号记为s
i
(kT)；采用下列编码器，对信号s
j
(kT)进行编码：其中，为编码器的内部状态，为编码器的输出，为尺度函数；飞艇j通过编码器和有限带宽数字网络将信号发给其临近的飞艇i，而后飞艇i接受，并用如下的译码器Ψ
ji
对进行译码：其中，为译码器Ψ
ji
的输出。
[0011]优选的，所述步骤S4中，控制协议表示为：优选的，所述步骤S4中，控制协议表示为：其中，。
[0012]本专利技术所述的一种低网络带宽条件下多飞艇鲁棒协同控制方法的优点和积极效果是：
1、本专利技术提出的基于扩张状态观测器(ESO)的控制协议可以对系统的不确定动态、未知扰动和不可测状态变量进行估计，并在控制协议中进行补偿。
[0013]2、本专利技术建立的多飞艇系统模型中，包括风的扰动在内的外部干扰均作为未知量出现，由此设计控制协议，并通过数学方法证明了该控制协议在扰动未知的情况下依然能够达成多飞艇系统的协同控制。
[0014]3、本专利技术实现了最小网络带宽下的输出一致性问题，仅在1比特带宽下即可达成多飞艇系统的输出一致性，极大地减少了多飞艇协同所需的通信数据量，提高了通信效率，释放了军用数据链以及数据发射器、接收器的性能压力，并保证了低通信带宽下多飞艇系统的可靠位置协同，在可靠性和经济性等方面都具有重要现实意义。
[0015]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0016]图1为本专利技术一种低网络带宽条件下多飞艇鲁棒协同控制方法实施例的原理图；图2为本专利技术实施例的飞艇结构示意图；图3为本专利技术实施例的飞艇坐标定义示意图；图4为本专利技术一种低网络带宽条件下多飞艇鲁棒协同控制方法实施例的多飞艇间通信网络图；图5为本专利技术一种低网络带宽条件下多飞艇鲁棒协同控制方法实施例的多飞艇系统位置协同仿真图。
具体实施方式
[0017]以下通过附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步说明。
[0018]实施例如图2所示，飞艇依靠浮力即空气静升力升空，飞艇的飞行还依靠涵道螺旋桨产生的推力和尾翼四个舵面的空气动力。
[0019]飞艇通过轻于空气的大体积气囊提供重于飞艇本身重力的空气静升力而实现飞艇的升空。通过气囊与辅助气囊的充放气调节飞艇压力，控制飞艇高度。
[0020]飞艇的控制依靠推进系统中涵道螺旋桨产生的推力，且涵道螺旋桨在平面内进行旋转，通过推力矢量控制对飞艇的姿态进行调整。除推力外，飞行过程中尾翼上的四个操纵翼面（2个升降舵，2个副翼）受到空气动力，其作用是改变飞艇的飞行姿态和飞行方向。
[0021]如图3所示，地面坐标系(O
g
X
g
Y...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低网络带宽条件下多飞艇鲁棒协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、根据飞艇结构与飞艇坐标系定义，建立飞艇系统动力学模型以及通信图模型；步骤S2、根据步骤S1中得到的飞艇系统动力学模型，设计线性扩张状态观测器对飞艇的内部状态及扩张状态进行估计，给出扩张状态观测器收敛的条件，并加入饱和方法，防止扩张状态观测器初期的峰化现象破坏系统稳定性；步骤S3、根据步骤S1中的通信图模型，采用均匀量化器，并基于量化器设计编码器和译码器，对进行通信的相邻两飞艇间的信号进行量化、编码、译码处理，使飞艇间通信带宽为1 bps；步骤S4、基于步骤S2设计的扩张状态观测器与步骤S3中设计的量化器、编码器、译码器，提出控制协议，使得相邻飞艇在1 bps带宽下进行通信，达成多飞艇系统的协同。2.根据权利要求1所述的一种低网络带宽条件下多飞艇鲁棒协同控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，飞艇系统动力学模型表示为：其中，v
i
=Bu
i
，z
i1
代表第i个飞艇在艇体坐标系z轴的位置，z
i2
代表第i个飞艇在艇体坐标系z轴的速度，F
i
为飞艇系统不确定非线性动态，B为控制增益，y
i
为飞艇系统输出，u
i
为飞艇系统输入向量，为外部扰动。3.根据权利要求2所述的一种低网络带宽条件下多飞艇鲁棒协同控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，通信图模型表示为：其中，={1,2,...,N}为N个飞艇组成的数集；是由一对飞艇组成的边集；=[a
ij
]∈R
N
×
N
为加权邻接矩阵，a
ij
=1或0表示飞...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕金虎，王小谟，王成才，冉茂鹏，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司电子科学研究院，
类型：发明
国别省市：