【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及目标追捕协同运动控制领域，特别是涉及一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制方法及系统。
技术介绍
1、近年来，无人机因其灵活性和机动性被广泛应用于各个领域。然而，随着任务和场景的日益复杂，由于续航、载重和视野范围的限制，单个无人机已无法满足高效执行任务的需求。多无人机协同可提供更强的多维感知能力与复杂任务执行能力。多架无人机协同可实现对目标的合围，在目标追捕和安全监控方面具有重要应用价值。然而，目前的多智能体协同包围控制研究只针对在二维平面运动的目标，对于立体空间运动的目标有必要对其进行三维包围。此外，针对实际任务场景，目标包围形成过程中需要考虑安全性和高可控性，以保证无人机可以在目标包围过程中避开障碍物，并且能够按照预定的期望时间完成对于目标的包围。在实际控制系统中，会受到未知的不确定性的影响，包括无法准确获得的无人机运动模型和时变的外界干扰，这使得无人机协同目标包围控制复杂而具有挑战性。目前，结合控制障碍函数和控制李雅普诺夫函数的安全控制方法和预定时间控制方法，大多需要已知不确定性的上界，这导致了实际应用中的局限性。并且，已有方法多单独研究避障安全控制和预定时间控制，所设计的控制器无法同时保障目标包围控制的安全性和高可控性。因此，需要提出一种性能更好、可靠性更高的分布式无人机预定时间三维目标包围安全控制方法或系统。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制方法及系统，能够实现在预定时间内完成目标跟踪任务，并保证所有无人机不
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制方法，包括：构建无人机运动模型。
3、基于球坐标系构建无人机对目标的三维目标包围模型。
4、构建预定时间分布式估计器；所述分布式估计器用于使每一无人机在预定时间内获得目标位置的估计信息。
5、基于预定时间分布式估计器获取的目标位置的估计信息，将分布式协同跟踪问题转换为单个无人机的轨迹跟踪问题；基于分层设计架构，将无人机运动模型分为位置环误差动力学模型与姿态环误差动力学模型。
6、利用actor-critic网络估计位置环误差动力学模型和姿态环误差动力学模型的不确定项。
7、根据估计不确定项后的位置环误差动力学模型和估计不确定项后的姿态环误差动力学模型，结合控制障碍函数和预定时间稳定性理论，构建安全约束下的预定时间位置环跟踪控制器和预定时间姿态环跟踪控制器。
8、无人机根据预定时间位置环跟踪控制器和预定时间姿态环跟踪控制器的控制实现在预定时间内完成目标跟踪任务。
9、可选地，所述无人机运动模型为：。
10、其中，和分别为第架无人机的位置和速度，为第架无人机姿态角，为第架无人机姿态角速度，为无人机重量，，t表示转置，为惯性矩阵，为重力加速度，和分别为第架无人机旋翼提供的力和力矩；和为由外界干扰和未建模动力学组成的不确定项；为旋转矩阵，为第架无人机的位置的导数，为第架无人机的速度的导数，为第架无人机姿态角速度的导数。
11、可选地，所述基于球坐标系构建无人机对目标的三维目标包围模型，具体包括：利用公式确定第架无人机和目标之间的相对位置；为目标的位置。
12、当时，第架无人机位于以目标为球心的球面上；为第架无人机位于以目标为球心的球面的位置坐标。
13、其中，；为球面的半径，和分别为方位角和极角。
14、可选地，所述预定时间分布式估计器，具体包括：。
15、其中，为辅助约束函数，为辅助约束函数的导数，、和分别为第架无人机对目标的位置、速度和加速度信息的估计值，、、均为正的常参数，、和的和为预定时间，为正常数，需满足，为目标的位置的三次导数，为满足0取值的常数，、、、、、、均为中间参数，，，并为中间参数，为权重系数。
16、可选地，所述基于预定时间分布式估计器获取的目标位置的估计信息，将分布式协同跟踪问题转换为单个无人机的轨迹跟踪问题；基于分层设计架构，将无人机运动模型分为位置环误差动力学模型与姿态环误差动力学模型，具体包括：公式为位置环误差动力学模型。
17、公式为姿态环误差动力学模型。
18、其中，和为跟踪的位置误差和速度误差，为姿态跟踪误差，为姿态转换矩阵，为跟踪的位置误差的导数，为跟踪的速度误差的导数，，为位置环误差动力学模型的控制输入量，，为位置坐标，，为期望滚转角，，为期望俯仰角，为期望偏航角。
19、可选地，所述根据估计不确定项后的位置环误差动力学模型和估计不确定项后的姿态环误差动力学模型，结合控制障碍函数和预定时间稳定性理论，构建安全约束下的预定时间位置环跟踪控制器和预定时间姿态环跟踪控制器，具体包括：利用公式确定控制输入量的位置环的附加控制项；其中，为滑模面，是估计误差的界，为预定义的收敛时间，，为滑模面，为的2p次幂，；是姿态环不确定项的估计值。
20、利用控制障碍函数将避障要求下的安全约束映射为控制约束，结合预定时间稳定的控制李雅普诺夫函数得到稳定控制设计约束，利用二次规划方法，得到控制约束下使得控制量最小的解，并作为位置环的标称控制项。
21、根据位置环的附加控制项和位置环的标称控制项确定控制输入量。
22、利用公式确定姿态环的标称控制项。
23、利用公式确定姿态环的附加控制项。
24、根据姿态环的标称控制项和姿态环的附加控制项确定姿态环的控制输入。
25、其中，是姿态环不确定项的估计值，是估计误差的界，，，，为期望姿态角的导数估计值，，同样由指令滤波器估计获得，，，。
26、一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制系统，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现所述的一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制方法。
27、可选地，所述存储器包括：无人机运动模型构建模块，用于构建无人机运动模型。
28、三维目标包围模型构建模块，用于基于球坐标系构建无人机对目标的三维目标包围模型。
29、分布式估计器构建模块，用于构建预定时间分布式估计器；所述分布式估计器用于使每一无人机在预定时间内获得目标位置的估计信息。
30、位置环误差动力学模型和姿态环误差动力学模型确定模块，用于基于预定时间分布式估计器获取的目标位置的估计信息，将分布式协同跟踪问题转换为单个无人机的轨迹跟踪问题；基于分层设计架构，将无人机运动模型分为位置环误差动力学模型与姿态环误差动力学模型。
31、模型的不确定项确定模块，用于利用actor-critic网络估计位置环误差动力学模型和姿态环误差动力学模型的不确定项。
32、预定时间位置环跟踪控制器和预定时间姿态环跟踪控制器确定模块，用于根据估计不确定项后的位置环误差动力学模型本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制方法，其特征在于，所述无人机运动模型为：
3.根据权利要求2所述的一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制方法，其特征在于，所述基于球坐标系构建无人机对目标的三维目标包围模型，具体包括：
4.根据权利要求3所述的一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制方法，其特征在于，所述预定时间分布式估计器，具体包括：
5.根据权利要求4所述的一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制方法，其特征在于，所述基于预定时间分布式估计器获取的目标位置的估计信息，将分布式协同跟踪问题转换为单个无人机的轨迹跟踪问题；基于分层设计架构，将无人机运动模型分为位置环误差动力学模型与姿态环误差动力学模型，具体包括：
6.根据权利要求5所述的一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制方法，其特征在于，所述根据估计不确定项后的位置环误差动力学模型和估计不确定项后的姿态环误差动力学模型，结合控制障碍函数和预定时间稳定性理论，构建安
7.一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制系统，其特征在于，包括：至少一个处理器、至少一个存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序指令，当所述计算机程序指令被所述处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制方法。
8.根据权利要求7所述的一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制系统，其特征在于，所述存储器包括：
...【技术特征摘要】
1.一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制方法，其特征在于，所述无人机运动模型为：
3.根据权利要求2所述的一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制方法，其特征在于，所述基于球坐标系构建无人机对目标的三维目标包围模型，具体包括：
4.根据权利要求3所述的一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制方法，其特征在于，所述预定时间分布式估计器，具体包括：
5.根据权利要求4所述的一种分布式无人机预定时间三维目标包围控制方法，其特征在于，所述基于预定时间分布式估计器获取的目标位置的估计信息，将分布式协同跟踪问题转换为单个无人机的轨迹跟踪问题；基于分层设计架构，将无人机运动模型分为位置环误...
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