[發(fā)明專利]一種針對移動剛性隊形的固定翼無人機(jī)集群編隊控制方法

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• 申請日: 2023-03-15
• 公開（公告）號: CN116048127A
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李忠奎;賀曉東
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 黃鳳茹

本發(fā)明公布了一種針對移動剛性隊形的固定翼無人機(jī)集群編隊控制方法，基于固定翼無人機(jī)的三維剛體運(yùn)動學(xué)模型，定義一種移動剛性隊形，該隊形滿足固定翼無人機(jī)的非完整約束和輸入飽和約束；基于通訊拓?fù)渲泄潭ㄒ頍o人機(jī)有多個父節(jié)點(diǎn)，利用特殊歐式群的幾何凸組合構(gòu)造虛擬父節(jié)點(diǎn)即凸組合系統(tǒng)，且設(shè)計附加角速度作為控制輸入，通過固定翼無人機(jī)相對于虛擬父節(jié)點(diǎn)的軌跡跟蹤控制來實(shí)現(xiàn)固定翼無人機(jī)集群的編隊控制。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了編隊隊形的整體運(yùn)動，且實(shí)用性高，更適用于協(xié)同觀測、巡視偵察、護(hù)航伴飛等任務(wù)場景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無人集群系統(tǒng)編隊控制方法，具體涉及一種針對移動剛性隊形且能保證編隊可行性的固定翼無人機(jī)集群編隊控制方法。

背景技術(shù)

固定翼無人機(jī)集群的編隊控制是指固定翼無人機(jī)之間通過信息交互與協(xié)同，實(shí)現(xiàn)預(yù)先定義的基于相對位置和相對姿態(tài)的狀態(tài)約束，該約束也稱為編隊隊形。直觀上，編隊隊形可由特定的幾何圖形加以描述。固定翼無人機(jī)集群編隊在資源勘探、災(zāi)后救援、邊境巡檢等各種場景中均有廣泛應(yīng)用。目前，常見的編隊控制方法有領(lǐng)導(dǎo)者-跟隨者法、虛擬結(jié)構(gòu)法、基于行為法、引導(dǎo)向量場法等。但是，現(xiàn)有研究結(jié)果大多忽視了以下兩個重要問題。

一是固定翼無人機(jī)的模型在本質(zhì)上屬于三維空間中受非完整約束的剛體模型，該模型可同時描述固定翼無人機(jī)位置和姿態(tài)的演化過程。然而現(xiàn)有研究結(jié)果大多將固定翼無人機(jī)建模為質(zhì)點(diǎn)模型，并將姿態(tài)運(yùn)動學(xué)描述為關(guān)于歐拉角的積分器形式。盡管積分器模型較剛體運(yùn)動學(xué)模型更加簡潔，但它忽略了三維旋轉(zhuǎn)中各個自由度之間的耦合關(guān)系，無法反映基于剛體角速度的旋轉(zhuǎn)控制過程。因此，基于質(zhì)點(diǎn)模型所設(shè)計的控制器無法直接應(yīng)用于固定翼無人機(jī)集群的編隊控制。

另一個問題是現(xiàn)有研究結(jié)果基本上只考慮如何使固定翼無人機(jī)集群實(shí)現(xiàn)編隊，卻很少關(guān)注編隊形成后隊形的整體運(yùn)動，而這種運(yùn)動在實(shí)際應(yīng)用中有重要意義。例如，在飛機(jī)空中加油時，加油機(jī)必須始終在受油機(jī)后方某一固定位置，并且跟隨受油機(jī)運(yùn)動。也就是說，二者形成的隊形必須在平移和旋轉(zhuǎn)下均保持不變，如同一個獨(dú)立運(yùn)動的剛體。由此可見，編隊控制不僅要使得集群中的固定翼無人機(jī)實(shí)現(xiàn)期望的相對位置和相對姿態(tài)，還要使得編隊隊形作為一個整體進(jìn)行運(yùn)動。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明基于固定翼無人機(jī)的三維剛體運(yùn)動學(xué)模型，針對移動剛性隊形，提出一種固定翼無人機(jī)集群的編隊控制方法。一方面，剛體模型使用旋轉(zhuǎn)矩陣全局且唯一地描述固定翼無人機(jī)的姿態(tài)，克服了質(zhì)點(diǎn)模型中歐拉角的奇異性問題；另一方面，移動剛性隊形一旦形成后，在平移和旋轉(zhuǎn)下均保持不變，如同一個獨(dú)立運(yùn)動的剛體，實(shí)現(xiàn)了編隊隊形的整體運(yùn)動。

本發(fā)明所提出的固定翼無人機(jī)集群編隊控制方法有以下特點(diǎn)：借助于特殊歐式群的群元素，定義一種移動剛性隊形，并且該隊形滿足固定翼無人機(jī)的非完整約束和輸入飽和約束，保證了編隊控制的可行性；針對通訊拓?fù)渲泄潭ㄒ頍o人機(jī)有多個父節(jié)點(diǎn)的情況，利用特殊歐式群的幾何凸組合構(gòu)造虛擬父節(jié)點(diǎn)，也稱為凸組合系統(tǒng)，將固定翼無人機(jī)集群的編隊控制轉(zhuǎn)化為固定翼無人機(jī)相對于虛擬父節(jié)點(diǎn)的軌跡跟蹤控制；另外，基于運(yùn)動耦合和輸入補(bǔ)償思想，設(shè)計附加角速度作為控制輸入，解決了固定翼無人機(jī)在非完整約束下線速度方向受限的問題。

本發(fā)明提供的一種針對移動剛性隊形的固定翼無人機(jī)集群編隊控制方法，包括如下步驟：

1）構(gòu)建固定翼無人機(jī)的模型以及集群的通訊拓?fù)鋱D，其中模型為三維剛體運(yùn)動學(xué)模型，通訊拓?fù)鋱D有一個根節(jié)點(diǎn)即領(lǐng)導(dǎo)者，且不存在環(huán)路；

2）定義集群中每架固定翼無人機(jī)相對于領(lǐng)導(dǎo)者的剛性移動隊形，該隊形由特殊歐式群的群元素定義，并且滿足非完整約束和輸入飽和約束；

3）基于領(lǐng)導(dǎo)者位形以及剛性移動隊形，利用特殊歐式群的群運(yùn)算，對集群中任意固定翼無人機(jī)構(gòu)造輔助系統(tǒng)；

4）根據(jù)通訊拓?fù)鋱D，對于集群中任意固定翼無人機(jī)，如果其有多個父節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造父節(jié)點(diǎn)輔助系統(tǒng)的凸組合系統(tǒng)；