[發(fā)明專利]一種無人機(jī)集群有限時間仿射編隊飛行控制方法

有效

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• 申請日: 2021-05-10
• 公開（公告）號: CN113311859B
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 段海濱;陳琳;魏晨;鄧亦敏;李衛(wèi)琪
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京慧泉知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

本發(fā)明公開一種無人機(jī)集群有限時間仿射編隊飛行控制方法：確定無人機(jī)集群名義編隊構(gòu)型，根據(jù)無人機(jī)集群名義編隊構(gòu)型選擇領(lǐng)航無人機(jī)；確定無人機(jī)集群的通信拓?fù)洌谠撏ㄐ磐負(fù)浜兔x編隊構(gòu)型，求解無人機(jī)集群的應(yīng)力矩陣；計算領(lǐng)航無人機(jī)與環(huán)境中的障礙間的避障勢函數(shù)；生成領(lǐng)航無人機(jī)的期望位置和速度；計算領(lǐng)航無人機(jī)的有限時間飛行控制律；更新領(lǐng)航無人機(jī)的飛行狀態(tài)；計算跟隨無人機(jī)的有限時間飛行控制律；更新跟隨無人機(jī)的飛行狀態(tài)；持續(xù)該過程直至滿足終止條件。本發(fā)明方法實現(xiàn)簡單，在無人機(jī)集群的編隊形狀上具有很大靈活性，保證無人機(jī)集群能在有限時間內(nèi)形成時變編隊構(gòu)型，對不確定環(huán)境和機(jī)動變化具有很好的適應(yīng)能力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種無人機(jī)集群有限時間仿射編隊飛行控制方法，屬于無人機(jī)集群協(xié)同控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

無人機(jī)集群通過信息的交互共享，可以功能分布化的形式執(zhí)行協(xié)同搜索、救援、偵察和打擊等任務(wù)，從而有效提高體系生存率和任務(wù)執(zhí)行能力，具有部署方式靈活、魯棒性強(qiáng)和可擴(kuò)展性好等諸多優(yōu)勢。無人機(jī)集群編隊飛行是指多架具有自主能力的無人機(jī)按照一定幾何構(gòu)型進(jìn)行三維空間排列，且在飛行過程中可保持穩(wěn)定隊形，并能根據(jù)外部環(huán)境和任務(wù)需求等動態(tài)調(diào)整編隊構(gòu)型。

目前常見的無人機(jī)編隊飛行控制方法主要包括基于行為、虛擬結(jié)構(gòu)、一致性理論和仿生的方法等。這些方法大多集中在使無人機(jī)集群按照一定的幾何構(gòu)型進(jìn)行三維空間部署，即通過對無人機(jī)集群內(nèi)部機(jī)間的位置、位移或方位等分別施加一定的代數(shù)約束。雖然這些方法在解決無人機(jī)集群的編隊飛行控制問題方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是這些方法在實際應(yīng)用中仍然具有很大的局限性。其中，無人機(jī)集群的編隊飛行控制要求每架無人機(jī)在復(fù)雜不確定的環(huán)境中僅利用有限的局部信息，形成某種面向任務(wù)的幾何構(gòu)型，并保持該構(gòu)型協(xié)同機(jī)動以完成任務(wù)。然而，上述編隊飛行控制方法難以解決不同機(jī)動條件下具有時變的平移、旋轉(zhuǎn)和變尺度的編隊控制問題。此外，目前大多數(shù)的編隊控制方法都集中在漸近收斂到期望的編隊構(gòu)型，這意味著所期望的編隊構(gòu)型不能在有限時間內(nèi)得到保證。然而從實際應(yīng)用來看，無人機(jī)集群快速集結(jié)形成期望的編隊構(gòu)型以及快速避開飛行環(huán)境中的障礙物，并在避開障礙物后能夠快速形成新的編隊構(gòu)型對無人機(jī)集群至關(guān)重要。

針對現(xiàn)有無人機(jī)編隊飛行控制方法在編隊構(gòu)型設(shè)計不靈活、魯棒性和適應(yīng)性能力不足的問題，本發(fā)明旨在通過設(shè)計一種無碰撞的無人機(jī)集群有限時間仿射編隊飛行控制方法，提高無人機(jī)集群對不確定飛行環(huán)境和機(jī)動變化的適應(yīng)能力。與其他編隊飛行控制方法相比，該方法不需要通過指定無人機(jī)機(jī)間的絕對位置、方位或相對位置、方位來定義無人機(jī)集群的編隊構(gòu)型。相反地，該方法基于仿射變換的性質(zhì)，通過對無人機(jī)集群的名義編隊構(gòu)型進(jìn)行仿射變換可以得到時變的編隊構(gòu)型；結(jié)合所設(shè)計的無人機(jī)與飛行環(huán)境中障礙間的成對光滑避障勢函數(shù)，基于Lyapunov有限時間穩(wěn)定性理論設(shè)計有限時間仿射編隊飛行控制律，通過控制集群中的少數(shù)無人機(jī)(領(lǐng)航無人機(jī))的機(jī)動就可以使整個無人機(jī)集群在有限時間內(nèi)形成并保持新的編隊構(gòu)型，并避免無人機(jī)與障礙物發(fā)生碰撞，保障無人機(jī)集群的安全。

發(fā)明內(nèi)容

1、發(fā)明目的：

本發(fā)明提供了一種無人機(jī)集群有限時間仿射編隊飛行控制方法，其目的是提供一種分布式的有限時間無人機(jī)集群時變編隊飛行控制方法，旨在提高無人機(jī)集群對不確定飛行環(huán)境和機(jī)動變化的適應(yīng)能力，從而有效提高無人機(jī)集群編隊飛行水平。

2、技術(shù)方案：

本發(fā)明針對受限環(huán)境下的無人機(jī)集群協(xié)同控制問題，提供了一種無人機(jī)集群有限時間仿射編隊飛行控制方法，該方法的實現(xiàn)框圖如圖1所示，主要的實現(xiàn)步驟如下：

步驟一：初始化