[發明專利]一種基于降維觀測器的無人集群仿射編隊控制方法

有效

• 申請號: 202110793311.8
• 申請日: 2021-07-14
• 公開（公告）號: CN113253764B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 李忠奎;常澤澤;王俊杰
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 黃鳳茹

本發明公布了一種基于降維觀測器的無人集群仿射編隊控制方法，無人集群編隊的個體包括領導者和跟隨者；通過對無人集群初始隊形的仿射變換，使用改進應力矩陣表示領導者與跟隨者之間的通訊拓撲關系，實現無人集群仿射編隊控制。無人集群中的個體可以是無人機、無人車、導彈和魚雷等。采用本發明提供的技術方案，基于相對位置測量，避免了相對速度信息、絕對速度信息和絕對加速度信息的使用，進而實現了編隊整體的復雜機動、對環境的感知避障和對動態目標的跟蹤圍捕，可以在速度和加速度信息缺失的前提下，實現較為復雜的編隊協同機動控制。

技術領域

本發明涉及無人集群智能協同控制技術，具體涉及一種基于降維觀測器和應力矩陣(stress matrix)，且不需要速度信息和加速度信息的無人集群仿射編隊控制方法。

背景技術

無人集群協同控制是一個復雜的系統問題，無人集群中的個體可以是無人機、無人車、導彈和魚雷等多種形式，其需要解決的關鍵技術主要有信息交互機制、多機協同編隊控制算法、環境感知與避險、人機融合與自適應學習技術等。目前國內外諸多專家學者對上述關鍵技術開展了大量理論研究。而集群協同編隊控制算法是其中的核心部分。

目前相對成熟的編隊控制算法主要有：基于位移法(displacement-based)、基于距離法(distance-based)和基于方位法(bearing-based)。這三種方法分別通過使用對編隊個體間的位移，距離和方位的恒定約束來對目標隊形進行構造。目標編隊的恒定約束的不變性對編隊的機動性能具有至關重要的影響。例如，基于位移法的編隊控制律可以處理隨時間變化的平移編隊，基于距離法設計的編隊控制律可以處理時變的平移和旋轉編隊，基于方位法設計的編隊控制律可以處理時變平移和放縮編隊隊形。但上述三種編隊控制算法無法同時實現多種期望的編隊機動性能，盡管通過對跟隨者設計估計器來估計領導者的機動參數可以解決這一問題，但也存在著比如編隊規模無法改變、跟隨者所需要的計算資源過多以及存在預估誤差等缺點。采用應力矩陣(stress matrix)和復拉普拉斯矩陣(complex Laplacians)也可以解決機動性能不足問題，但現有方法多存在如領導者控制方法缺失、需要使用速度信息和加速度信息等缺點。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供一種基于降維觀測器的無人集群仿射編隊控制方法，用以解決在速度和加速度信息缺失的前提下，實現較為復雜的編隊協同機動控制。

本發明中，無人集群中的個體可以是無人機、無人車、導彈和魚雷等。本發明對無人集群協同編隊控制算法進行分析，通過對無人集群初始隊形的仿射變換，實現對無人集群編隊隊形的實時切換和編隊整體的復雜機動；通過平衡應力矩陣(equilibrium stress)的應用，使無人集群中的跟隨者可以收斂到由無人集群中的領導者所唯一確定的編隊軌跡，進而實現編隊整體的指定功能；通過對跟隨者設計基于降維觀測器的控制算法，避免了對相對速度信息、絕對速度信息和加速度信息的使用。最終實現無人集群編隊整體在復雜環境中的隊形切換和避障機動、對給定目標的跟蹤圍捕等等功能。

本發明提供的技術方案如下：

一種基于降維觀測器的無人集群仿射編隊控制方法，無人集群編隊的個體包括領導者和跟隨者；通過對無人集群初始隊形的仿射變換，使用改進的應力矩陣(stressmatrix)表示領導者與跟隨者之間的通訊拓撲關系，實現無人集群仿射編隊控制；包括：

1）對無人集群編隊進行表示；設置無人集群編隊初始構型和目標編隊構型；

假設無人集群編隊的個體數量為N，存在M個領導者，N-M個跟隨者。用和分別表示無人集群編隊中領導者和跟隨者的集合。需要實現編隊的某些指定功能，諸如隊形的機動變換、在復雜地形的避障飛行以及對特定目標的跟蹤圍捕等功能。

所有的無人集群編隊個體假設均具有二階系統的動力學，盡可能地逼近實際情況：

(1)