一种基于分布式观测器的多飞行器控制受限协同编队方法技术

本发明专利技术设计了一种基于分布式观测器的多飞行器控制受限协同编队方法，使一组具有“领

【技术实现步骤摘要】
一种基于分布式观测器的多飞行器控制受限协同编队方法


[0001]本专利技术涉及一种基于分布式观测器的飞行器编队控制方法，属于飞行器编队控制领域，具体为一种基于分布式观测器的多飞行器控制受限协同编队方法，使飞行器群能够以领导者的位置为基准产生队形指令，并在控制量输入有限的情况下使从跟随者的位置误差有限时间收敛
。

技术介绍

[0002]飞行器编队控制问题主要使多个飞行器在空间中形成并保持一定的相对位置构型，以获得更好的任务效果
。
一致性控制理论是编队控制中常用的控制理论，主要通过使与飞行器相对位置与相对速度有关的一致性误差稳定收敛，来使多个飞行器达到期望的相对位置
。
然而编队一致性控制方法中，通常需要同时使用飞行器的速度与位置信息，并且较为精确的队形生成往往会引起较大的控制量
。
鉴于此，本专利技术设计了一种基于分布式观测器的多飞行器控制受限协同编队方法，使一组具有“领
‑
从”式结构的飞行器在有限时间内生成期望的编队构型，在该方法中，飞行器间的信息交互只涉及位置信息，并且每个飞行器的控制量输入均具有明确的上界
。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对“领
‑
从”式飞行器群的编队控制问题，提出了一种基于分布式观测器的多飞行器控制受限协同编队方法，使得飞行器群可以在有限时间内生成指定队形
。
[0004]本专利技术的技术构思为：首先设计分布式观测器，使飞行器群中的跟随者观测出领导者的位置，并基于领导者位置的观测值与期望队形生成跟随者的位置指令
。
然后设计跟随者的位置跟踪算法，使跟随者跟踪其位置指令，从而使飞行器群生成期望队形
。
[0005]本专利技术一种基于分布式观测器的多飞行器控制受限协同编队方法，具体包括以下步骤
。
[0006]步骤1：建立飞行器运动模型；
[0007]三维空间中，第
i
个跟随者飞行器运动模型通过方程
(1)
来描述
。
[0008][0009]i
＝
1,2,
…
,N。
其中，
p
i
＝
[x
i
,y
i
,z
i
]T
为该跟随者在三维空间中的位置，为
p
i
的微分；
v
i
＝
[V
i
,
θ
i
,
ψ
v,i
]T
中三个元素分别为该跟随者的飞行速度
、
弹道倾角与弹道偏角；
n
i
＝
[n
x,i
,n
y,i
,n
z,i
]T
为该跟随者的过载；
M
i
与
F
g,i
分别代表
v
i
的输入矩阵以及重力加速度对
v
i
的影响，其计算方法如下：
[0010][0011]d
i
与
v
i
的换算关系如方程
(2)
所示：
[0012][0013]步骤2：通过分布式观测器观测领导者的空间位置；
[0014]首先约定，对于与有：
[0015]tanh(x)
＝
[tanh(x1),tanh(x2),...,tanh(x
N
)]T
[0016]x
γ
＝
[sgn(x1)|x1|
γ
,sgn(x2)|x2|
γ
,...,sgn(x
N
)|x
N
|
γ
]T
[0017]第
i
个跟随者对领导者位置
p0＝
[x0,y0,z0]T
的观测值为观测值的计算方法如方程
(3)
所示；
[0018][0019]本专利技术对观测值的初始值不做要求，为有界实数即可
。
方程
(3)
中，正常数
κ
0,1
与
κ
0,2
为增益系数，大于1的正常数，
γ0为幂次系数，
ι0为一正常数；
e
ob,i
＝
[e
obx,i
,e
oby,i
,e
obz,i
]T
为位置观测值的一致性误差，计算方法如方程
(4)
所示：
[0020][0021]其中，是第
j
个跟随者对领导者位置的观测值
。
将记为第
i
个跟随者的观测器误差
ε
ob,i
＝
[
ε
obx,i
,
ε
oby,i
,
ε
obz,i
]T
。
[0022]方程
(4)
中，
a
ij
是第
i
个跟随者与第
j
个跟随者之间的通信存在系数，满足：
[0023][0024]b
i
是第
i
个跟随者与领导者之间的通信存在系数，满足：
[0025][0026]步骤3：计算跟随者的期望位置；
[0027]根据步骤2中得出的测值第
i
个跟随者计算其期望位置
p
c,i
，即
[0028][0029]其中，
p
r,i
为第
i
名跟随者与领导者之间所期望的相对位移
。
[0030]步骤4：计算跟随者的位置误差变量；
[0031]定义第
i
个跟随者的位置误差为
e
i
＝
[e
x,i
,e
y,i
,e
z,i
]T
，计算方法如方程
(6)
所示
[0032]e
i
＝
p
i
‑
p
c,i (6)
[0033]步骤5：计算位置微分的期望值；
[0034]第
i
个跟随者位置微分的期望值为个跟随者位置微分的期望值为的计算方法如方程
(7)
所示：
[0035][0036]其中，
p
d,i
的计算方法如方程
(8)
所示
。
[0037][0038]方程
(7)
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于分布式分布观测器的多飞行器控制受限协同编队方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤1：建立飞行器运动模型；三维空间中，第
i
个跟随者飞行器运动模型通过方程
(1)
来描述；
i
＝
1,2,
…
,N
；其中
p
i
＝
[x
i
,y
i
,z
i
]
T
为该跟随者在三维空间中的位置，为
p
i
的微分；
v
i
＝
[V
i
,
θ
i
,
ψ
v,i
]
T
中三个元素分别为该跟随者的飞行速度
、
弹道倾角与弹道偏角；
n
i
＝
[n
x,i
,n
y,i
,n
z,i
]
T
为该跟随者的过载；
M
i
与
F
g,i
分别代表
υ
i
的输入矩阵以及重力加速度对
υ
i
的影响；步骤2：通过分布式观测器观测领导者的空间位置首先约定，对于与有：
tanh(x)
＝
[tanh(x1),tanh(x2),...,tanh(x
N
)]
T
第
i
个跟随者对领导者位置
p0＝
[x0,y0,z0]
T
的观测值为观测值的计算方法如方程
(3)
所示；方程
(3)
中，正常数
κ
0,1
与
κ
0,2
为增益系数，大于1的正常数，
γ0为幂次系数，
ι0为一正常数；
e
ob,i
＝
[e
obx,i
,e
oby,i
,e
obz,i
]
T
为位置观测值的一致性误差；步骤3：计算跟随者的期望位置根据步骤2中得出的测值第
i
个跟随者计算其期望位置
p
c,i
，即其中
p
r,i
为第
i
名跟随者与领导者之间所期望的相对位移；步骤4：计算跟随者的位置误差变量定义第
i
个跟随者的位置误差为
e
i
＝
[e
x,i
,e
y,i
,e
z,i
]
T
，计算方法如方程
(6)
所示
e
i
＝
p
i
‑
p
c,i
(6)
步骤5：计算位置微分的期望值第
i
个跟随者位置微分的期望值为个跟随者位置微分的期望值为的计算方法如方程
(7)
所示：其中
p
d,i
的计算方法如方程
(8)
所示；
方程
(7)
与方程
(8)
中，
κ
1,1
，
κ
1,2
，
ι
1,1
，
ι
1,2
与
ρ
均为正定实数对角矩阵；
γ
1,1
与
γ
1,2
为正实数，要求
γ
1,1
与
γ
1,2
满足步骤6：计算跟随者的速度误差变量首先根据方程
(2)
与方程
(7)
计算第
i
个跟随者速度
V
i
，弹道倾角
θ
i
与弹道偏角
ψ
vi
的期望值
V
c,i
，
θ
c,i
与
ψ
vc,i
，即然后计算第
i
个跟随者的速度误差
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国飞，王先至，左宗玉，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：