【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种无人机编队飞行设计方法，特别是一种基于时变速度估计的方位刚性无人机编队控制方法，属于无人机编队。
技术介绍
1、面对未来战场上复杂的作战需求，无人机编队将以其低成本高效率的优势弥补单架无人机作战半径小、任务失败率高等缺陷，成为制空作战中的重要手段。而稳定的多无人机协同飞行，就成为保证无人机编队飞行的一项关键技术难题。
2、依据编队内部的信息交互方式，编队控制可以分为集中式和分布式，集中式的编队控制下，编队存在一个控制中心，该中心综合编队状态信息，发送每架无人机的控制指令，但其对通讯带宽要求高，不适用于作战环境。分布式编队中每个无人机均可视为是相对独立的智能体。编队中无人机通过局部通讯网络与周围邻居进行信息交互，相互协同且独立的做出决策。
3、同时考虑到作战环境中通信受限问题，无人机难以获取到完整的编队信息，造成编队无法稳定飞行等问题，如何在有限信息下得到编队完整信息是编队飞行重要的研究内容之一。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种基于时变速度估计的方位刚性无人机编队控制方法，该方法实现无人机编队能够在通信受限环境下完成编队的机动飞行。
2、本申请技术方案为：一种基于时变速度估计的方位刚性无人机编队控制方法，所述控制方法包括如下步骤：
3、步骤1：建立领航-跟随无人机编队内长机和僚机的运动模型；
4、步骤2：设定一组由若干架无人机在三维空间组成编队进行飞行，基于所述运动模型
5、步骤3：根据一致性和自适应控制原理设计长机加速度估计器，估计得到长机的速度方向；
6、步骤4：根据一致性算法和方位刚性理论设计编队控制算法；
7、步骤5：根据估计所得长机速度方向建立编队坐标系改进所述编队控制算法，根据所述改进的编队控制算法完成编队旋转机动。
8、进一步的，所述步骤1中的运动模型为：
9、
10、
11、式中，为无人机i的d维空间位置向量，为无人机i的d维空间速度向量，ui为无人机i的控制输入；该模型速度与加速度满足：
12、
13、
14、在二维平面内，设定长机的速率为s＞0，长机速度方向为f，方向变化率为偏航角为γ1，
15、
16、
17、在三维空间中，考虑到法向运动角度的变化，俯仰角为φ1：
18、
19、
20、
21、同时，长机速度方向对时间的二阶导数满足η为长机方向对时间的二阶导数的模的上界，长机向与其有信息交互的僚机发送方向变化率和长机方向对时间的二阶导数的模的上界η。
22、进一步的，所述步骤2具体包括：
23、设定一组由n架无人机在三维空间组成编队进行飞行，选取一架与长机有通信拓扑关系的僚机作为第一僚机，其余n-2架僚机为其他僚机；
24、通过控制长机与第一僚机的间距控制编队内所有无人机间距，无人机i相对于无人机j的相对方位信息gij表示为：
25、
26、式中pi,pj分别代表第i架无人机与第j架无人机的位置向量；为将任意向量几何投影到gij的正交补上，引入正交投影算子
27、
28、式中：id为d维单位阵；任意给定一个非零向量当且仅当时，向量x与gij平行；
29、通过henneberg构造法得到满足无穷小方位刚性的交互拓扑图定义编队跟踪误差为：
30、
31、式中：δpi(t)为无人机i实际位置与期望位置的误差，为无人机i实际速度与期望速度的误差。
32、进一步的，所述步骤3具体包括：
33、首先，设计基于一致性的方向变化率估计器，设定无人机i对方向变化率的估计为估计误差为设计对方向变化率估计一致项进行补偿；设定无人机i对长机方向对时间的二阶导数的模η的估计为
34、僚机i＝{2,3,...,n}对长机方向变化率和长机方向对时间的二阶导数的模η的估计器：
35、
36、式中，ko和kη为正常数控制增益；
37、其次，在对方向变化率的估计的基础上，设计僚机i＝{2,3,...,n}的长机速率估计器：
38、
39、式中，是无人机i对长机速率s的估计。
40、进一步的，所述步骤4具体包括：
41、首先，在利用方位约束一致性算法实现期望队形的基础上，编队规模比例因子通过长机与第一僚机的间距d控制，第一僚机的控制算法：
42、
43、式中，kp和kv为正常数控制增益，为位置一致项，保证第一僚机运动到期望位置，其中d为比例因子；(v1-v2)为速度一致项，用于跟踪长机的速度；为长机加速度补偿项，消除长机速度变化对第一僚机带来的影响；
44、其次，其他僚机与相邻僚机之间通过方位约束，实现期望编队，其他僚机的控制算法：
45、
46、式中，kp和kv为正常数控制增益，为方位控制项，保证邻机间方位与期望方位一致；为速度一致项，根据一致性理论，使得无人机i与邻机速度趋于一致；为长机加速度补偿项第一僚机运动到期望位置，其中d为比例因子；(v1-v2)为速度一致项，消除长机速度变化对其他僚机带来的影响。
47、进一步的，所述步骤5中，首先，建立统一的编队坐标系：通过步骤3中设计的长机方向变化率估计器，估计解算长机的偏航角将编队控制律由惯性坐标系旋转至编队坐标系下实现；在二维平面内，编队坐标系与惯性坐标系之间的转换关系通过偏航角表示，转换矩阵：
48、
49、控制算法中的期望约束在坐标系转换的对齐操作中改写为：
50、
51、编队控制算法改写为：
52、
53、有益效果：
54、1、本专利技术的一种基于时变速度估计的方位刚性无人机编队控制方法，采用一致性和自适应控制原理，设计僚机对长机速度相关状态的估计器，解决通信受限环境下僚机无法获取编队参考信息的问题。
55、2、本专利技术的一种基于时变速度估计的方位刚性无人机编队控制方法，基于一致性和方位刚性原理设计编队控制器，完成编队的平移和缩放飞行机动。
56、3、本专利技术的一种基于时变速度估计的方位刚性无人机编队控制方法，通过估计得到的长机速度方向变化率解算得到长机航向角，建立统一的编队坐标系，解决了编队内无人机方位对齐问题，最终实现了编队的转弯飞行机动。
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1.一种基于时变速度估计的方位刚性无人机编队控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于时变速度估计的方位刚性无人机编队控制方法，其特征在于，所述步骤1中的运动模型为：
3.根据权利要求1所述的基于时变速度估计的方位刚性无人机编队控制方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
4.根据权利要求1所述的基于时变速度估计的方位刚性无人机编队控制方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
5.根据权利要求1所述的基于时变速度估计的方位刚性无人机编队控制方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：
6.根据权利要求1所述的基于时变速度估计的方位刚性无人机编队控制方法，其特征在于，所述步骤5中，首先，建立统一的编队坐标系：通过步骤3中设计的长机方向变化率估计器，估计解算长机的偏航角将编队控制律由惯性坐标系旋转至编队坐标系下实现；在二维平面内，编队坐标系与惯性坐标系之间的转换关系通过偏航角表示，转换矩阵：
【技术特征摘要】
1.一种基于时变速度估计的方位刚性无人机编队控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于时变速度估计的方位刚性无人机编队控制方法，其特征在于，所述步骤1中的运动模型为：
3.根据权利要求1所述的基于时变速度估计的方位刚性无人机编队控制方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
4.根据权利要求1所述的基于时变速度估计的方位刚性无人机编队控制方法，其特征在于，所述步骤3具体包...
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