[發(fā)明專利]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的固定翼無人機(jī)編隊(duì)有限時間容錯控制方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202210046500.3
• 申請日: 2022-01-13
• 公開（公告）號: CN114594784A
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張柯;方方;姜斌;陳謀;盛守照;甄子洋;邵書義
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 秦秋星

本發(fā)明公開了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的固定翼無人機(jī)有限時間編隊(duì)容錯控制方法：首先，考慮通過虛擬領(lǐng)導(dǎo)者?跟隨者結(jié)構(gòu)進(jìn)行編隊(duì)控制，并且采用分布式編隊(duì)方法進(jìn)行信息交互，基于此設(shè)計(jì)相應(yīng)的通信拓?fù)鋱D并計(jì)算對應(yīng)的鄰接矩陣與拉普拉斯矩陣；然后，針對固定翼無人機(jī)的縱向模型，基于合理的假設(shè)條件簡化動態(tài)模型為嚴(yán)格反饋形式，并且考慮升降舵偏轉(zhuǎn)的失效故障；以反步法為基礎(chǔ)、結(jié)合滑模控制，通過徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理模型的未知非線性函數(shù)，并且采用自適應(yīng)估計(jì)升降舵的失效故障，從而實(shí)現(xiàn)有限時間的容錯控制。本發(fā)明克服了固定翼無人機(jī)縱向模型作為高階非線性系統(tǒng)導(dǎo)致難以編隊(duì)容錯控制的問題，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性并且能夠在有限時間內(nèi)穩(wěn)定。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的固定翼無人機(jī)有限時間編隊(duì)容錯控制方法，屬于基于智能控制方法的多智能體系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

近年來，無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)由于其成本低、機(jī)動性高、重量輕、具有自主飛行功能等獨(dú)特的優(yōu)勢得到了廣泛的應(yīng)用。固定翼無人機(jī)相比于旋翼無人機(jī)具有速度更快、載荷更大、飛行高度更高、續(xù)航時間更長以及航程更遠(yuǎn)等優(yōu)勢。而多無人機(jī)組成的編隊(duì)系統(tǒng)相較于單個無人機(jī)不僅在續(xù)航時間、覆蓋范圍以及任務(wù)執(zhí)行效率上更具優(yōu)越性，而且能夠完成更多更復(fù)雜的任務(wù)。因此，固定翼無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)的研究有廣泛的應(yīng)用前景。

由于固定翼無人機(jī)是欠驅(qū)動、強(qiáng)耦合、非線性高速運(yùn)動體，其復(fù)雜的動力學(xué)特性增加了編隊(duì)系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)難度。本發(fā)明雖然將固定翼無人機(jī)模型解耦，只考慮縱向模型，但是固定翼縱向模型作為一個高階非線性模型，控制器設(shè)計(jì)難度仍然較大。無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)是一個互聯(lián)系統(tǒng)，編隊(duì)中的無人機(jī)之間存在信息交互，因此相鄰的無人機(jī)之間會互相產(chǎn)生影響，進(jìn)一步增加了編隊(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。目前，對于高階非線性多智能體的編隊(duì)控制研究成果較少，因此針對固定翼縱向模型的編隊(duì)控制研究是前沿領(lǐng)域的。考慮到實(shí)際情況中，還會存在模型不確定的未知非線性項(xiàng)，這一點(diǎn)很大程度上增加了控制器設(shè)計(jì)的難度。現(xiàn)有的相關(guān)研究，其控制精度不高而且可靠性較差。

雖然無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)相比于單個無人機(jī)具有更強(qiáng)的容錯能力和魯棒性，但是當(dāng)部分無人機(jī)發(fā)生故障時，通過無人機(jī)之間的信息交互，可能導(dǎo)致相鄰健康無人機(jī)的任務(wù)失敗，也使得無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)喪失了多機(jī)的冗余優(yōu)勢。通過容錯控制可以在系統(tǒng)發(fā)生故障時，使系統(tǒng)性能保持在可接受的范圍內(nèi)，這對于確保飛行控制系統(tǒng)的安全性和可靠性具有至關(guān)重要的作用。在應(yīng)用中，收斂時間是一個重要的評估標(biāo)準(zhǔn)。能夠在有限時間內(nèi)控制系統(tǒng)穩(wěn)定，在工程實(shí)際中具有較大的應(yīng)用價(jià)值。因此針對固定翼縱向模型編隊(duì)系統(tǒng)的有限時間容錯控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述背景技術(shù)提出的技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的固定翼無人機(jī)有限時間編隊(duì)容錯控制方法，克服因高階非線性模型的復(fù)雜性導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)編隊(duì)容錯控制的問題，并致力于實(shí)現(xiàn)有限時間收斂，達(dá)到更快更可靠的控制效果。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的固定翼無人機(jī)有限時間編隊(duì)容錯控制方法，包括如下步驟：

(1)考慮通過虛擬領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者結(jié)構(gòu)進(jìn)行編隊(duì)控制，并且采用分布式編隊(duì)方法進(jìn)行信息交互，基于此設(shè)計(jì)相應(yīng)的通信拓?fù)鋱D并計(jì)算對應(yīng)的拉普拉斯矩陣L；

(2)針對固定翼無人機(jī)的縱向模型，基于合理的假設(shè)條件簡化動態(tài)模型為嚴(yán)格反饋形式，針對模型中難以處理的非線性項(xiàng)、模型不確定性進(jìn)行處理，并且考慮升降舵偏轉(zhuǎn)的失效故障，形成統(tǒng)一的具有故障的嚴(yán)格反饋動態(tài)模型；

(3)基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理系統(tǒng)的未知非線性問題，結(jié)合自適應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)故障估計(jì)；基于反步法和滑?？刂疲瑢?shí)現(xiàn)編隊(duì)系統(tǒng)的分布式有限時間容錯控制。