【技术实现步骤摘要】
一种针对移动刚性队形的固定翼无人机集群编队控制方法
[0001]本专利技术涉及无人集群系统编队控制方法，具体涉及一种针对移动刚性队形且能保证编队可行性的固定翼无人机集群编队控制方法。
[0002]
技术介绍
[0003]固定翼无人机集群的编队控制是指固定翼无人机之间通过信息交互与协同，实现预先定义的基于相对位置和相对姿态的状态约束，该约束也称为编队队形。直观上，编队队形可由特定的几何图形加以描述。固定翼无人机集群编队在资源勘探、灾后救援、边境巡检等各种场景中均有广泛应用。目前，常见的编队控制方法有领导者
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跟随者法、虚拟结构法、基于行为法、引导向量场法等。但是，现有研究结果大多忽视了以下两个重要问题。
[0004]一是固定翼无人机的模型在本质上属于三维空间中受非完整约束的刚体模型，该模型可同时描述固定翼无人机位置和姿态的演化过程。然而现有研究结果大多将固定翼无人机建模为质点模型，并将姿态运动学描述为关于欧拉角的积分器形式。尽管积分器模型较刚体运动学模型更加简洁，但它忽略了三维旋转中各个自由度之间的耦合...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种针对移动刚性队形的固定翼无人机集群编队控制方法，基于固定翼无人机的三维刚体运动学模型，定义一种移动刚性队形，该队形满足固定翼无人机的非完整约束和输入饱和约束；基于通讯拓扑中固定翼无人机有多个父节点，利用特殊欧式群的几何凸组合构造虚拟父节点即凸组合系统，且设计附加角速度作为控制输入，通过固定翼无人机相对于虚拟父节点的轨迹跟踪控制来实现固定翼无人机集群的编队控制；包括如下步骤：1）构建固定翼无人机的模型以及无人机集群的通讯拓扑图；构建的模型为三维刚体运动学模型；构建无人机集群的通讯拓扑图有一个根节点即领导者，且不存在环路；包括：由固定翼无人机的位形和速度，建立固定翼无人机集群系统的运动学模型，表示为：其中，为位形的时间导数；位形表示固定翼无人机的状态；速度为固定翼无人机的控制输入；上标表示Hat映射；为固定翼无人机集群中的固定翼无人机序号，取值为；所有位形构成特殊欧式群，即：；其中，和分别表示第架固定翼无人机的姿态矩阵和位置向量；为特殊正交群中的元素；为三维空间中的向量；构建固定翼无人机集群的通讯拓扑图，通讯拓扑图中的每个节点表示每架固定翼无人机，节点和节点之间用有向边连接，表示信息传递的方向；对于由一条有向边连接的两个节点，发出信息的节点为父节点，接收信息的节点为子节点；通讯拓扑图中有一个根节点即固定翼无人机集群的领导者，只发出信息不接收信息；除领导者之外的其他节点均为跟随者；通讯拓扑图中不存在环路，即不存在路径使得从某一节点发出的信息又回到该节点；2）定义无人机集群中每架固定翼无人机相对于领导者的刚性移动队形，该队形由特殊欧式群的群元素定义，并且满足非完整约束和输入饱和约束；将固定翼无人机集群的领导者的位形记为，跟随者的位形记为，；如果和之间满足：，其中，表示特殊欧式群中的群元素，表示相对姿态矩阵，表示相对位置向量；则为跟随者相对于领导者的移动刚性队形；移动刚性队形满足相应的非完整约束和输入饱和约束，分别表示为：保证输入饱和约束的条件：其中，为任意正常数；定义为：；为领导者的角速度；为领导者角速度欧式范数的上界；和分别为领导者前向线速度的上界和下界；和
分别为跟随者前向线速度的上界和下界；保证非完整约束的条件：其中，，；表示转置矩阵；为领导者的线速度；令表示父节点的位形，表示父节点相对于领导者的移动刚性队形，定义；则：；其中，表示跟随者相对于其父节点的移动刚性队形；3）基于领导者位形以及刚性移动队形，利用特殊欧式群的群运算，对无人机集群中任意固定翼无人机构造辅助系统；其位形表示为：其中，为父节点的位形，为跟随者相对于其父节点的移动刚性队形；辅助系统的速度定义为：；其中，为父节点的速度，为关于的伴随映射；4）根据通讯拓扑图，对于无人机集群中任意固定翼无人机，如果其有多个父节点，构造父节点辅助系统的凸组合系统；设对于任意，其父节点有个，所有父节点辅助系统的位形表示为，所有父节点辅助系统的速度表示为；令表示位形的凸组合，令表示速度的凸组合；由以下公式迭代，表示为：由以下公式迭代，表示为：由以下公式迭代，表示为：由以下公式迭代，表示为：其中，（）是凸组合系数，满足；exp和log分别表示指数映射和对数映射；由以下公式迭代，表示为：由以下公式迭代，表示为：由以下公式迭代，表示为：
通过对凸组合系统的跟踪来实现跟随者对多个父节点辅助系统的跟踪；5）利用无人机集群中任意固定翼无人机与凸组合系统之间的相对位形和相对速度信息，构造附加角速度，由此...
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