CN116909319B - 一种分布式无人机集群编队控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式无人机集群编队控制方法，涉及无人机集群编队飞行控制技术领域，其技术方案要点是：将分布式编队系统拆解为位置和速度两个一阶子系统，并将一致性协议作为编队误差并代入到Lyapunov函数中，在满足Lyapunov稳定性的设计过程中，对设计无人机集群的编队控制律进行稳定性分析，验证了编队误差最终收敛为0，从而实现编队精准控制。本方法能够缓解无人机集群之间的通信与计算压力，实现编队的稳定飞行与精准控制。
Description
技术领域
本发明涉及无人机集群编队飞行控制技术领域，更具体地说，它涉及一种分布式无人机集群编队控制方法。
背景技术
传统的单架无人机作战模式的任务载荷单一且执行能力有限，不能很好的适应复杂多变的战场环境。无人机集群由于其成本低、结构简单、损伤冗余度高等优点，能够实现无人机集群能力互补、行动协调，备受各军事强国的青睐。在无人机空中加油等紧密编队应用场景中，无人机编队协同控制仍面临着诸多挑战，如何减轻无人机编队的通信压力，协调好无人机之间的编队行为，提高无人机集群编队的稳定性和精准度，是无人机集群编队控制需要解决的重点难题。
传统的无人机集群协同编队采用集中式控制结构，其中领导无人机与其他所有无人机通信，而其他无人机之间不通信。领导无人机根据各无人机反馈的状态信息，做出编队全局最优的决策，并让其他无人机执行，从而实现编队控制。该控制方法简单易实现，但随着集群中无人机数量的提升，领导无人机的通信压力与计算压力均显著增长，存在决策滞后甚至停滞现象。若领导无人机出现故障而崩溃，会导致整个无人机集群编队陷入瘫痪，编队也缺乏容错性。而分布式控制结构中一致性控制可根据编队局部相邻节点信息按照设定的一致性协议，通过一定的通信拓扑结构传输数据，进行无人机集群局部间的信息交互，不断调整自身状态，进行智能决策，由个体局部的收敛实现编队全局的收敛，实现无人机集群全局的编队协同。相比于集中式控制方法，分布式一致性控制中的每个无人机可根据局部的相邻无人机节点信息，按照设定的一致性协议不断做出决策、调整自身的状态，既有效降低了编队通信与决策的压力，又能保证无人机集群的高效协同，实现编队的全局收敛。
针对紧密编队中无人机集群通信与计算压力过大、整体飞行控制律设计较为复杂，且飞行控制精度较低这些问题，本发明发展了集群编队一致性控制控制方法，采用反步控制方法，考虑无人机集群可变间距编队队形，设计的编队飞行控制律满足Lyapunov稳定性，使得无人机集群编队误差快速收敛，实现编队飞行的精准控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种分布式无人机集群编队控制方法，该方法能够缓解无人机集群之间的通信与计算压力，实现编队的稳定飞行与精准控制。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种分布式无人机集群编队控制方法，具体包括以下步骤：
S1：将无人机集群分布式编队系统拆解为位置和速度两个一阶子系统，降低编队控制律难度；设无人机在地面坐标系下的位置为，速度为/>，二阶一致性控制输入为/>，则无人机二阶一致性运动方程如下式所示：
；
S2：定义无人机编队中单架无人机的位置误差和速度误差，并对其求导，得到：
其中，表示跟随无人机之间的拉普拉斯矩阵，/>表示领导无人机与跟随无人机的通信矩阵，/>为/>维全1列向量；/>分别表示跟随无人机在x、y、z三轴方向的追踪误差的导数，/>分别表示领导无人机在x、y、z三轴方向的理想参考位置的导数，/>分别表示为无人机跟随者与领导者之间x、y、z方向的间隔距离的导数，分别表示为无人机在x、y、z轴方向的速度误差的导数；/>分别表示为x、y、z轴方向理想速度的导数；
S3：由Lyapunov第二法，设定Lyapunov函数，对其求导有；编队控制律满足下式所示条件，/>负定，满足无人机编队Lyapunov稳定性
；
其中，和/>分别表示x、y、z三轴方向的追踪误差，/>分别表示x、y、z三轴方向的速度误差。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、相比于集中式编队控制，减少了编队控制的计算量，缓解了编队的通信压力。
2、相比于不能调节队形间距的分布式控制，本方法考虑了编队的可变间距，能够实现编队的扩张与收缩，为无人机集群可变间距编队控制提供了一种新的方案。
附图说明
图1是本发明实施例中无人机编队通信拓扑图（0为领导无人机，1-4为跟随无人机）；
图2是本发明实施例中无人机编队轨迹图（UAV0为领导无人机，UAV1- UAV4为跟随无人机）；
图3是本发明实施例中无人机编队X轴位置轨迹图（UAV0为领导无人机，UAV1-UAV4为跟随无人机）；
图4是本发明实施例中无人机编队Y轴位置轨迹图（UAV0为领导无人机，UAV1-UAV4为跟随无人机）；
图5是本发明实施例中无人机编队Z轴位置轨迹图（UAV0为领导无人机，UAV1-UAV4为跟随无人机）。
具体实施方式
以下结合附图1-图5对本发明作进一步详细说明。
实施例：一种分布式无人机集群编队控制方法，如图1至图5所示，具体包括以下步骤：
S1：将无人机集群分布式编队系统拆解为位置和速度两个一阶子系统，降低编队控制律难度；设无人机在地面坐标系下的位置为，速度为/>，二阶一致性控制输入为/>，则无人机二阶一致性运动方程如式（1）所示：
（1）；
S2：定义无人机编队中单架无人机的位置误差为公式（2）所示的位置一致性控制协议，速度误差为公式（3）所示的速度一致性控制协议；
（2）；
（3）；
式（2）中： 为跟随无人机之间的通信拓扑邻接矩阵元素，/>为领导无人机与跟随无人机通信矩阵元素，/>与/>均记通信为1，不通信为0；/>分别表示领导无人机的理想参考位置；/>分别表示第/>架无人机跟随者与领导者之间三轴方向的间隔距离；/>分别表示跟随无人机在3轴方向的追踪误差，等式右边第一项为跟随无人机/>的编队位置协同误差，第二项为跟随无人机/>与领导无人机编队位置追踪误差。式（3）中，/>分别表示无人机在空间3轴方向的速度误差，包含跟随无人机/>的编队速度协同误差、跟随无人机/>的实际速度/>与理想速度/>之间的追踪误差这两项。
S3：基于矩阵论，将公式（2）和（3）可简化为公式（4）和（5）：
（4）
（5）
式（4）和（5）中：表示跟随无人机之间的拉普拉斯矩阵，/>表示领导无人机与跟随无人机的通信矩阵，/>为/>维全1列向量；
S4：分别对公式（4）和（5）求导，可得：
（6）
（7）
其中，分别表示跟随无人机在x、y、z三轴方向的追踪误差的导数，分别表示领导无人机在x、y、z三轴方向的理想参考位置的导数，/>分别表示为无人机跟随者与领导者之间x、y、z方向的间隔距离的导数，/>分别表示为无人机在x、y、z轴方向的速度误差的导数；/>分别表示为x、y、z轴方向理想速度的导数；
S5：由Lyapunov第二法，设定Lyapunov函数，对其求导有。当编队控制律满足如式（8）所示条件时，/>负定，满足无人机编队Lyapunov稳定性，能使以上6个编队误差稳定收敛于0，实现编队精确控制，其中均为大于0的常数。
（8）
S6：设计如下编队控制律，式（9）为地面坐标系三轴方向的理想速度控制指令，式（10）为地面坐标系三轴方向的二阶一致性编队控制输入。
（9）
（10）
S7：接下来进行稳定性分析，本次分析仅用x轴方向证明，y、z轴方向证明同理，且不影响总的稳定性分析，则有正定，对其求导，函数值小于0，故满足Lyapunov稳定。
（11）
S8：同理，，函数负定，故式（9）、（10）所设计的二阶一致性编队控制律满足Lyapunov稳定性，能使得6个编队误差/>最终均收敛于0，实现无人机集群分布式可变间距编队的精准控制。
本实施例还验证基于反步法轨迹层无人机编队控制效果，选用1个领导无人机和4个跟随无人机组成飞行编队，实现4个跟随者能够在领导者周围形成可变间距的正方形编队。考虑如图1所示的无人机通信拓扑关系，其中UAV0为领导无人机，UAV1- UAV4均为跟随无人机。跟随无人机邻接矩阵、跟随无人机度矩阵/>、跟随无人机拉普拉斯矩阵/>，以及领导无人机与跟随无人机的通信矩阵/>如下：
设跟随无人机初始状态如下：
表1 跟随无人机初始位置表
考虑领导无人机轨迹函数非线性、线性以及常数三种情况，特设置领导无人机轨迹函数如下：
其中，为领导无人机的三轴位置，/>为领导无人机的速度。
为了验证可变间距编队控制，设置4个跟随无人机分别与领导无人机的周期间距如下，其效果为在平面上时变边长的正方形编队。
表2 无人机跟随者时变间距表
由仿真结果可知，跟随无人机能够很好的跟随在领导无人机周围，呈可变间距的正方形编队队形。
通过图3-图5可看到在轴方向跟随者UAV1-4能够很好的跟踪领导者UAV0的非线性轨迹，在/>轴和/>轴方向跟随者UAV1-4能够跟随在领导者UAV0周围并呈现周期性的可变间距编队。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (1)
1.一种分布式无人机集群编队控制方法，其特征是：具体包括以下步骤：
S1：将无人机集群分布式编队系统拆解为位置和速度两个一阶子系统，降低编队控制律难度；设无人机在地面坐标系下的位置为r＝[rx,ry,rz]T，速度为v＝[vx,vy,vz]T，二阶一致性控制输入为u＝[ux,uy,uz]T，则无人机二阶一致性运动方程如下式所示：
S2：定义无人机编队中单架无人机i的位置误差和速度误差，并对其求导，得到：
其中，L表示跟随无人机之间的拉普拉斯矩阵，K表示领导无人机与跟随无人机的通信矩阵，IN为N维全1列向量；分别表示跟随无人机在x、y、z三轴方向的追踪误差的导数，/>分别表示领导无人机在x、y、z三轴方向的理想参考位置的导数，/> 分别表示为无人机跟随者与领导者之间x、y、z方向的间隔距离的导数，分别表示为无人机在x、y、z轴方向的速度误差的导数；/>分别表示为x、y、z轴方向理想速度的导数；
S3：设定Lyapunov函数 对其求导有/> 编队控制律满足下式所示条件，负定，满足无人机编队Lyapunov稳定性
其中，ex、ey和ez分别表示x、y、z三轴方向的追踪误差， 分别表示x、y、z三轴方向的速度误差；
所述编队控制律为：
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