[發明專利]一種考慮時變編隊的分組一致性無人機編隊控制方法

在審

• 申請號: 202110010705.1
• 申請日: 2021-01-06
• 公開（公告）號: CN112650299A
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 劉宏娟;胡凱強;田雪濤;賀若飛;李彥
• 申請（專利權）人: 西安愛生技術集團公司;西北工業大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 金鳳

本發明公開了一種考慮時變編隊的分組一致性無人機編隊控制方法，首先構建二階積分數學模型，確定多無人機的拓撲結構，并利用圖論知識描述其拓撲關系；設計考慮時變編隊的分組一致性多無人機控制協議；利用矩陣論和現代控制理論的性質分析系統的一致性問題，得出收斂條件；確定符合系統收斂條件的控制協議的控制系數，帶入控制協議，實現系統的分組一致性控制。本發明提供一種可以設置任意形式隊形函數的多無人機編隊分組一致性控制方法，其通過分布式控制的方法解決全局控制問題，同時，無需子圖都是連通圖，提高系統魯棒性，適用于任意隊形時變情況下的多無人機分組一致性控制。

技術領域

本發明屬于無人機技術領域，具體涉及一種無人機編隊控制方法。

背景技術

多無人機系統的編隊控制因其在軍事和民用領域中具有廣泛的應用前景而受眾多研究者關注。國內外基于多無人機系統研究的編隊控制的控制效果主要包括：隊形生成、隊形保持、隊形切換、編隊避障和自適應控制等。為實現以上控制效果，傳統的控制方法主要有：基于行為的控制方法、leader-follower方法和基于虛擬結構的方法。但是伴隨一致性理論的發展，基于一致性理論的編隊控制也取得了豐碩的成果。且從理論的角度，傳統的編隊控制方法可被看成一致性控制方法的特例。

無人機編隊一致性控制是指：在一個無人機集群系統中，在以分布式計算為基礎，隨時間的推移，單架無人機在局部的耦合作用下，編隊整體最終能夠達到所給定協議下的一致。當無人機編隊同時存在多個任務時，則會存在多個不同的一致性結果，此現象即為分組一致性現象。

Dong和Yu等人(Wang L,Yu J.Group consensus in multi-agent systems withswitching topologies and communication delays[J].Systems and Control Letters,2010,59(6):340-348)提出一種基于時變編隊的編隊控制方法。該方法給出基于二階積分模型的編隊系統能夠實現時變編隊的充分和必要條件。但在運用在編隊整體控制系統存在多個收斂目標情況時，系統將無法達到穩定狀態。

Zhao等人(Huanyu Zhao,Ju H.Park.Group consensus of discrete-timemulti-agent systems with fixed and stochastic switching topologies[J].Nonlinear dynamics,2014,77(4):1297-1307)提出一種基于入度平衡的通信拓撲模型，設計一種有向固定拓撲情形下的一階離散系統的分組一致性控制方法。該方法實現了無人機集群內部存在多個收斂目標時系統能夠收斂，但編隊內的相對隊形是固定的，在編隊隊形是時變隊形的情況時，不能夠做出及時的隊形保持控制。

目前很多無人機編隊一致性控制的工作都聚焦在普通的一致性研究，即所有的無人機都漸進地達到一個共同的收斂狀態且以固定的相對隊形保持飛行。然而，在許多實際的飛行過程中，編隊會根據任務要求同時收斂于多個平衡點，編隊隊形會根據環境改變。因此對于有時變隊形的多個收斂目標無人機編隊一致性仍是值得研究的重要方向。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供了一種考慮時變編隊的分組一致性無人機編隊控制方法，首先構建二階積分數學模型，確定多無人機的拓撲結構，并利用圖論知識描述其拓撲關系；設計考慮時變編隊的分組一致性多無人機控制協議；利用矩陣論和現代控制理論的性質分析系統的一致性問題，得出收斂條件；確定符合系統收斂條件的控制協議的控制系數，帶入控制協議，實現系統的分組一致性控制。本發明提供一種可以設置任意形式隊形函數的多無人機編隊分組一致性控制方法，其通過分布式控制的方法解決全局控制問題，同時，無需子圖都是連通圖，提高系統魯棒性，適用于任意隊形時變情況下的多無人機分組一致性控制。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括如下步驟：

步驟1：建立多無人機集群系統拓撲結構；