[發明專利]一種協同高空長航時無人機連接控制方法

有效

• 申請號: 201811304115.4
• 申請日: 2018-11-03
• 公開（公告）號: CN109491403B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 薛陽;王舒;張亞飛;王琳;俞志程;吳海東;張寧
• 申請（專利權）人: 上海電力學院
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 徐穎

1.一種協同高空長航時無人機連接控制方法，其特征在于，具體包括如下步驟：

1)建立高空長航時無人機運動模型：

高空長航時無人機相對地面運動模型的系統運動方程式如下：

其中，i∈{1,2,…,N}表示無人機在編隊中序號，N為編隊中無人機的數量；分別為無人機i在水平面x軸和y軸上的速度分量；為無人機i的航向角ψ_i求導得到的機動速度；V_i為無人機i的飛行速度；α_i為無人機i的法向加速度；

2)確定控制量與約束條件：

選取包括速度和機動速度的向量作為控制量，設V_i,min為無人機i的可用最小速度，V_i,max為無人機i的可用最大速度，且速度的約束與已連接無人機的數量無關，關系為：

V_i,min≤V_i≤V_i,max

已連接無人機的機動速度約束為：

其中，為已完成連接的無人機的機動速度；為已完成連接的n架無人機的最大機動速度；n∈{2,…,N}為已完成連接的無人機數量；

記無人機i的狀態量為X_i(k)＝[x(k) y(k) ψ(k)]^T，則對系統運動方程式進行線性化和離散化，可以等價地以矩陣形式表述為：

其中，k＝0,1,2,…,K為離散時刻；K為離散時刻數量；Δt為離散步長；W_i為零均值高斯白噪聲，滿足均值為零的正態分布；

3)確定節能連接的順序：

根據單架無人機的能量狀態以及與已完成連接的無人機編隊的距離來確定分配連接順序；

4)使用零升阻力方程，確定編隊內無人機的最優飛行速度；

5)建立控制模型：

具有狀態向量X_i(k)的無人機i必須依次與已完成連接的無人機編隊S進行連接，完成此連接過程中消耗整體無人機編隊S'最少能量E_S'的控制策略，

太陽能無人機能量最優連接策略問題的控制目標函數為：

其中，n_k為時域長度；E_0,S'為無人機編隊S'未開始進行連接的初始能量狀態；E_S'(k+j)為無人機編隊S'在k+j時刻所消耗的能量，時域值與連接的時長有關，連接時間越長時域值越大；C為節能連接策略；

連接中的無人機最終位置的約束如下：

Φ_i＝||X_S(k+n_k-1)-X_i(k+n_k-1)||＝r_i,S

其中，r_i,S為無人機與連接目標的期望距離，X_S(k+n_k-1)為k+n_k-1時刻已完成連接的無人機編隊S的狀態量；

所述步驟3)確定節能連接的順序具體步驟如下：

已經連接編隊“能量中心”方程表達式如下：

其中，為已完成連接的無人機i的狀態X_i(k)＝[x(k) y(k) ψ(k)]^T的樣本均值，E₀是未進行連接時無人機編隊的平均初始能量狀態，E_i是已完成連接的無人機i的當前能量狀態；

已連接無人機編隊中單架無人機與已連接無人機編隊“能量中心”的距離表達式為：

其中，分別為已完成連接的無人機i的狀態均值的x軸和y軸分量，分別為能量中心的x軸和y軸分量；

連接優先級的表達式為：

其中，Ω_d是E_i與距離間的加權值；R為無人機未開始進行連接時的起始平均距離；Q_d值越大優先級越高；

所述編隊內無人機的最優飛行速度的獲取方法如下：

無人機的能量消耗率使用零升阻力方程來近似，由n架無人機編隊S'功率消耗近似計算表達式為：

P_S'(V,n)＝TV

其中，V為無人機編隊的空速；T為無人機編隊整體的螺旋槳推力；

T＝D

無人機編隊飛行過程中阻力D的計算如下：

其中，ρ為空氣密度；S為機翼面積；C_D的表達式為：

其中，為零升阻力系數；λ為展弦比；e為Oswald效率系數；升力系數C_L的表達式為：

其中，為零升力系數；為升力線斜率；α為功角；

無人機編隊的升力為：

無人機定高飛行時，升力與重力有如下關系：

其中，m_i為無人機i的質量；為滾轉角；

聯立無人機編隊的升力式和升力與重力關系式，可求得無人機的最優飛行速度為：