CN110286694B - 一种多领导者的无人机编队协同控制方法 - Google Patents

一种多领导者的无人机编队协同控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多领导者的无人机编队协同控制方法，属于无人机控制技术领域。该方法在无人机中确定多个领导者，其他无人机为跟随者；领导者根据其他领导者位置、其他领导者速度以及期望编队信息构建输入控制；跟随者通过无人机编队中领导者的位置、领导者的速度以及自身信息构建控制输入；通过构建的控制输入控制领导者、跟随者进行协同飞行。本发明适用于最大时滞在容许范围内的情况。

Description

一种多领导者的无人机编队协同控制方法
技术领域
本发明属于无人机控制技术领域，涉及一种分布式无人机编队协同控制方法。
背景技术
近年来，随着通信技术、传感器、控制器各项技术的发展，多无人机协同控制得到了广泛的应用，比如无人机编队表演。在执行搜救救援、战场侦察、多目标追踪等任务时，多无人机协同控制具有灵活性大、执行任务效率高等优势。信息交互式保证多无人机编队安全稳定控制的前提，而往往通信的条件并不理想，无人机之间的通信可能会受到电磁干扰、恶劣气候等因素的印象，信息的传输存在延迟。因此，研究具有通信延迟下的无人机编队控制，存在现实意义。
目前，常用的分布式无人机编队协同控制方法是由控制中心对所有无人机进行统一控制，当处于时延环境下，无人机能根据预先设定的编队算法进行飞行，此方法的缺点在于无人机之间不能完全保持统一的队形飞行，效果不佳。为了保障所有无人机在通信延迟环境下，依然能够一致的队形飞行，亟需一种新的无人机编队协同控制方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多领导者的无人机编队协同控制方法，使得无人机群组能快速达到预期编队效果。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多领导者的无人机编队协同控制方法，将无人机编队分为多个领导者与跟随者；领导者之间按照各自的期望，编队飞行；跟随者根据各自期望，跟随领导者飞行。该方法具体包括以下步骤：
S1：在无人机中确定领导者和跟随者；
S2：领导者根据其他领导者位置、其他领导者速度和期望编队信息构建控制输入；
S3：跟随者通过无人机编队中领导者的位置、领导者的速度以及自身信息构建控制输入；
S4：无人机编队通过一级控制和二级控制的控制输入协同飞行。
进一步，所述步骤S1中，确定无人机中领导者的方法具体为：令无人机编队集合为U，领导者集合为Ni(t)，Ni(t)∈U，card[Ni(t)]表示领导机数量，且2≤card[Ni(t)]≤card(U)/2；定义代价函数C(i，j)表示无人机i，j之间的链路代价，选用通信延迟作为衡量指标；如无人机编队拓扑固定，也可以以节点间的拓扑距离作为代价；通过以下函数选定无人机领导者编队，即选择具备最佳通信性能领导者集合：
Figure GDA0003688095480000021
所有领导者会与所有跟随者通信，以实现更加精确的飞行控制。
进一步，所述步骤S2中，无人机领导者的编队控制输入的计算过程为：使用二阶运动模型来描述第i个领导者的运动方程：
Figure GDA0003688095480000022
Figure GDA0003688095480000025
其中，xi(t)∈R2为无人机i的位置；vi(t)∈R2为无人机i的速度；ui(t)∈R2是无人机i的控制输入；
Figure GDA0003688095480000023
其中，xj(t-τ)表示τ时间前无人机j的位置；xi(t-τ)表示τ时间前无人机i的位置；vj(t-τ)表示τ时间前无人机j的速度；vi(t-τ)表示τ时间前无人机j的速度；vi(t)表示无人机当前的速度；
Figure GDA0003688095480000026
表示无人机当前的期望速度；aij(t)为无人机领导者的有向图间权值，或通信关系，可通信为1，不可通信为0；k1、k2、k3为控制参数，Ni(t)为无人机领导者集合。
进一步，所述步骤S3中，无人机跟随者的编队控制输入的计算过程为：使用二阶运动模型来描述第i个跟随者的运动方程：
Figure GDA0003688095480000024
其中，dqi(t)为跟随者i与领导者q间通信关系，可通信为1，不可通信为0；Np(t)为无人机跟随者集合，k4为权重参数。
进一步，所述步骤S4中，所述一级控制为领导者之间的控制，二级控制为领导者与跟随者之间的控制；当时滞有界时，领导者之间趋向预期编队，跟随者趋向预期编队，使得整体机群达到预期编队效果。
本发明的有益效果在于：本发明通过将无人机编队分为多个领导者与跟随者，通过领导者之间的一级控制，以及领导者与跟随者之间的二级控制来实现当时滞有界时，领导者之间趋向预期编队，跟随者趋向预期编队，使得整体机群达到良好的预期编队效果。本发明适用于最大时滞在容许范围内的情况。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明实施例中无人机组通信拓扑图；
图2为本发明实施例中无人机位置仿真图；
图3为本发明实施例中无人机速度仿真图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1～图3，本实施例提供了一种多领导者的无人机编队协同控制方法，参照图1，将无人机中1、2、3作为领导者，无人机4、5、6作为跟随者；领导者1根据其他领导者位置，其他领导者速度，期望编队信息构建输入控制。跟随者通过无人机编队中领导者的位置，领导者的速度以及自身信息构建控制输入；通过构建的控制输入控制领导者、跟随者进行协同飞行。
开始的时候，六台无人机状态如下表1所示：
表1六台无人机初始状态
Figure GDA0003688095480000031
Figure GDA0003688095480000041
其中，以1、2、3作为领导者，4、5、6作为跟随者，期望所有的无人机，以vx＝vy＝1m/s的速度飞行。领导者和跟随者按照各自的编队控制输入进行协同飞行，其中无人机领导者i的编队控制输入的计算过程为：
Figure GDA0003688095480000042
其中，xj(t-τ)表示τ时间前无人机j的位置；xi(t-τ)表示τ时间前无人机i的位置；vj(t-τ)表示τ时间前无人机j的速度；vi(t-τ)表示τ时间前无人机j的速度；vi(t)表示无人机当前的速度；
Figure GDA0003688095480000044
表示无人机当前的期望速度；aij(t)为无人机领导者的有向图间权值，或通信关系，可通信为1，不可通信为0；k1、k2、k3为控制参数，Ni(t)为无人机领导者集合。
无人机跟随者i的编队控制输入的计算过程为：
Figure GDA0003688095480000043
其中，dqi(t)为跟随者i与领导者q间通信关系，可通信为1，不可通信为0；Np(t)为无人机跟随者集合，k4为权重参数。
仿真结果如图2、3所示，由图2可见，虽然无人机编队的初始位置不同，但是在控制策略的作用下，位置逐渐趋于一致；由图3可见，无人机的速度最终也趋于一致，符合预期。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种多领导者的无人机编队协同控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：在无人机中确定多个领导者和跟随者；
确定无人机中多个领导者的方法具体为：令无人机编队集合为U，领导者集合为Ni(t)，Ni(t)∈U，card[Ni(t)]表示领导机数量，且2≤card[Ni(t)]≤card(U)/2；定义代价函数C(i,j)表示无人机i，j之间的链路代价，选用通信延迟作为衡量指标；通过以下函数选定无人机领导者编队，即选择具备最佳通信性能领导者集合：
Figure FDA0003688095470000011
S2：领导者根据其他领导者位置、其他领导者速度和期望编队信息构建控制输入；
S3：跟随者通过无人机编队中领导者的位置、领导者的速度以及自身信息构建控制输入；
S4：无人机编队通过一级控制和二级控制的控制输入协同飞行；其中，一级控制为领导者之间的控制，二级控制为领导者与跟随者之间的控制；当时滞有界时，领导者之间趋向预期编队，跟随者趋向预期编队，使得整体机群达到预期编队效果。
2.根据权利要求1所述的一种多领导者的无人机编队协同控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，无人机领导者的编队控制输入的计算过程为：使用二阶运动模型来描述第i个领导者的运动方程：
Figure FDA0003688095470000012
Figure FDA0003688095470000013
其中，xi(t)∈R2为无人机i的位置；vi(t)∈R2为无人机i的速度；ui(t)∈R2是无人机i的控制输入；
Figure FDA0003688095470000014
其中，xj(t-τ)表示τ时间前无人机j的位置；xi(t-τ)表示τ时间前无人机i的位置；vj(t-τ)表示τ时间前无人机j的速度；vi(t-τ)表示τ时间前无人机j的速度；vi(t)表示无人机当前的速度；
Figure FDA0003688095470000015
表示无人机当前的期望速度；aij(t)为无人机领导者的有向图间权值，或通信关系，可通信为1，不可通信为0；k1、k2、k3为控制参数，Ni(t)为无人机领导者集合。
3.根据权利要求1所述的一种多领导者的无人机编队协同控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，无人机跟随者的编队控制输入的计算过程为：使用二阶运动模型来描述第i个跟随者的运动方程：
Figure FDA0003688095470000021
其中，dqi(t)为跟随者i与领导者q间通信关系，可通信为1，不可通信为0；Ni(t)为无人机领导者集合，Np(t)为无人机跟随者集合，k4为权重参数。
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