[發明專利]一種基于優化一致性算法的高速飛行器編隊控制方法

在審

• 申請號: 202310748573.1
• 申請日: 2023-06-25
• 公開（公告）號: CN116627177A
• 公開（公告）日: 2023-08-22
• 發明（設計）人: 王文凱;都延麗;魏昀鵬;劉燕斌;王宇飛
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 向文

本發明公開了一種基于優化一致性算法的高速飛行器編隊控制方法，包括：初始化飛行器狀態；在不考慮地球自轉的情況下，對長機和從機在空間的運動進行動力學建模；判斷飛行器是否為長機；進行長機編隊控制，運用比例導引法獲取到長機編隊控制輸入；進行從機編隊控制和從機避撞控制，通過從機編隊控制獲得從機編隊控制輸入，通過從機避撞控制獲得從機避撞控制輸入；根據長機編隊控制輸入、從機編隊控制輸入和從機避撞控制輸入，更新無人機運動狀態。本發明可以使得高速無人機更快的形成隊形，同時使得飛行器的軌跡更加穩定。同時針對組間飛行器碰撞，引入了人工勢場法，該方法可以避免算法陷入奇異，使得飛行器可以應對突發情況。

技術領域

本發明屬于飛行器編隊控制領域，涉及多飛行器協同編隊技術，具體涉及一種基于優化一致性算法的高速飛行器編隊控制方法。

背景技術

目前多飛行器編隊控制方法的研究多是針對無人機和低速導彈等低速飛行器系統展開，產生豐碩的研究成果，而高速飛行器由于其飛行速度快、飛行空域多變、速度變化劇烈等因素，其編隊控制本身充滿了挑戰性，目前還處于探索階段。近十年來雖然有很多學者根據飛行特性對高速飛行器的協同控制技術開展了大量研究，但是關于其編隊控制問題的研究卻較少。高速飛行器具有作戰范圍廣、飛行速度快、機動性高、突防與打擊能力強等諸多優勢，而在進行編隊時，高速飛行器本身就具備自身的獨特性與復雜性。

一致性控制是多飛行器系統控制的基礎，也是協同控制的一種特例。所謂的一致性控制是指通過設計合適的一致性算法或者協議使得所有飛行器的狀態趨于一致。而考慮到高速飛行器的諸多限制，因此利用一致性協議來找到一種使用范圍更廣，控制效果更好的編隊控制方法和系統。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，提供一種基于優化一致性算法的高速飛行器編隊控制方法，在傳統的高速飛行器一致性算法基礎上，加入位置和速度的增益系數，該方法可以使得高速無人機更快的形成隊形，同時使得飛行器的軌跡更加穩定。同時針對組間飛行器碰撞，引入了人工勢場法，該方法可以避免算法陷入奇異，使得飛行器可以應對突發情況。

技術方案：為實現上述目的，本發明提供一種基于優化一致性算法的高速飛行器編隊控制方法，包括如下步驟：

S1：初始化飛行器狀態；

S2：在不考慮地球自轉的情況下，對長機和從機在空間的運動進行動力學建模，同時根據隊形有向圖設計計算鄰接矩陣A_ij和拉普拉斯矩陣L；

S3：判斷飛行器是否為長機，若為長機則執行步驟S4，若為從機則執行步驟S5；

S4：進行長機編隊控制，運用比例導引法獲取到長機編隊控制輸入；

S5：進行從機編隊控制和從機避撞控制，通過從機編隊控制獲得從機編隊控制輸入，通過從機避撞控制獲得從機避撞控制輸入；

S6：根據長機編隊控制輸入、從機編隊控制輸入和從機避撞控制輸入，通過動力學建模的運動方程更新無人機運動狀態；

S7：判斷是否到達目的地，若已到達則無人機編隊控制系統結束操作，若未到達目的地，則繼續執行步驟S3。

進一步地，所述步驟S1中飛行器狀態的變量包括飛行器信息、目標區域信息。

進一步地，所述步驟S2中的動力學建模包括：

建立高速飛行器在三維空間中的運動方程：

其中，(x,y,z)表示高速飛行器在地理坐標系(OXYZ)_e中的位置；V,θ,ψ分別表示飛行器的速度，偏航角和俯仰角；空氣阻力F_d＝(1/2)cρV²S，其中c、ρ、S分別為阻力系數、空氣密度和飛行器表面積；m為飛行器質量。