[發(fā)明專利]一種協(xié)同高空長航時(shí)無人機(jī)連接控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811304115.4
• 申請(qǐng)日: 2018-11-03
• 公開（公告）號(hào): CN109491403B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 薛陽;王舒;張亞飛;王琳;俞志程;吳海東;張寧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海電力學(xué)院
• 主分類號(hào): G05D1/10
• 分類號(hào): G05D1/10
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 徐穎

本發(fā)明涉及一種協(xié)同高空長航時(shí)無人機(jī)連接控制方法，建立高空長航時(shí)無人機(jī)運(yùn)動(dòng)模型；確定控制量與約束條件；建立控制模型，研究完成此連接過程中消耗整體無人機(jī)編隊(duì)S'最少能量E_S'的控制策略；考慮了單架無人機(jī)的能量狀態(tài)以及與已完成連接的無人機(jī)編隊(duì)的距離的分配連接順序；協(xié)同高空長航時(shí)無人機(jī)連接后進(jìn)行編隊(duì)內(nèi)無人機(jī)的最優(yōu)飛行速度計(jì)算，保證在最佳能量狀態(tài)下飛行。開發(fā)了基于能量的連接過程，利用最短路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)節(jié)能連接，使編隊(duì)內(nèi)部的能量分布更均勻；編隊(duì)的最終能量分布不受起始距離的影響，使用連接優(yōu)先級(jí)來確定連接順序可以顯著降低編隊(duì)內(nèi)的最終能量分配；連接形成的無人機(jī)群整體比未連接無人機(jī)編隊(duì)消耗的能量顯著降低，飛行范圍大大增加。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種控制技術(shù)，特別涉及一種協(xié)同高空長航時(shí)無人機(jī)連接控制方法。

背景技術(shù)

為了提升無人機(jī)的續(xù)航能力，提高多無人機(jī)任務(wù)完成效能，新型無人機(jī)和編隊(duì)飛行控制已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。關(guān)于飛機(jī)的節(jié)能飛行，在路徑規(guī)劃和熱動(dòng)學(xué)方面有過相關(guān)討論，也有無線充電、推進(jìn)源交替和編隊(duì)飛行節(jié)能技術(shù)的研究。早期的飛機(jī)節(jié)能優(yōu)化控制研究主要集中在時(shí)間或燃料狀態(tài)上。

高空長航時(shí)無人機(jī)是一種新型無人機(jī)，高空長航時(shí)無人機(jī)的飛行時(shí)間可達(dá)幾個(gè)月甚至幾年，但翼展達(dá)數(shù)十米，極大地限制了支持這種無人機(jī)的機(jī)場(chǎng)數(shù)量，且大翼展輕型無人機(jī)也很難進(jìn)行快速部署。目前，高空長航時(shí)無人機(jī)的研究主要集中在具有大展弦比的太陽能無人機(jī)方面。太陽能飛機(jī)會(huì)受到發(fā)電效率的制約，一般有以下三種策略可以提升太陽能無人機(jī)的續(xù)航能力。利用較大的縱橫比來減少阻力；利用最優(yōu)控制進(jìn)行路徑規(guī)劃；通過緊密編隊(duì)飛行獲得空氣動(dòng)力優(yōu)勢(shì)。目前，單機(jī)的氣動(dòng)布局和氣動(dòng)性能都相對(duì)比較成熟，要想再提高氣動(dòng)性能難度較大。

針對(duì)編隊(duì)飛行的研究成為研究的熱點(diǎn)，緊密編隊(duì)飛行的空氣動(dòng)力優(yōu)勢(shì)產(chǎn)生的節(jié)能效果也較明顯，許多大型鳥類在長途遷徙中經(jīng)常按某種隊(duì)形飛行，如大雁排成“一”字隊(duì)形進(jìn)行遷徙。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是針對(duì)無人機(jī)配合作業(yè)的問題，提出了一種協(xié)同高空長航時(shí)無人機(jī)連接控制方法，針對(duì)高空長航時(shí)無人機(jī)進(jìn)行連接，形成緊密編隊(duì)進(jìn)行節(jié)能飛行的控制解決方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種協(xié)同高空長航時(shí)無人機(jī)連接控制方法，具體包括如下步驟：

1)建立高空長航時(shí)無人機(jī)運(yùn)動(dòng)模型：

高空長航時(shí)無人機(jī)相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)模型的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式如下：

其中，i∈{1,2,…,N}表示無人機(jī)在編隊(duì)中序號(hào)，N為編隊(duì)中無人機(jī)的數(shù)量；分別為無人機(jī)i在水平面x軸和y軸上的速度分量；為無人機(jī)i的航向角ψ_i求導(dǎo)得到的機(jī)動(dòng)速度；V_i為無人機(jī)i的飛行速度；α_i為無人機(jī)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(jī)動(dòng)速度的向量作為控制量，設(shè)V_i,min為無人機(jī)i的可用最小速度，V_i,max為無人機(jī)i的可用最大速度，且速度的約束與已連接無人機(jī)的數(shù)量無關(guān)，關(guān)系為：

V_i,min≤V_i≤V_i,max

已連接無人機(jī)的機(jī)動(dòng)速度約束為：

其中，為已完成連接的無人機(jī)的機(jī)動(dòng)速度；為已完成連接的n架無人機(jī)的最大機(jī)動(dòng)速度；n∈{2,…,N}為已完成連接的無人機(jī)數(shù)量；

記無人機(jī)i的狀態(tài)量為X_i(k)＝[x(k) y(k) ψ(k)]^T，則對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式進(jìn)行線性化和離散化，可以等價(jià)地以矩陣形式表述為：