CN113359861A - 一种无人飞艇编队飞行控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人飞艇编队飞行控制方法及系统。所述方法包括：根据期望编队队形确定包含相对位置限制值的障碍李雅普诺夫Lyapunov函数；利用反步法和障碍Lyapunov函数设计虚拟控制器并进行解算，得到虚拟控制器输出量；根据虚拟控制器输出量计算自适应控制器输出量；根据自适应控制器输出量，利用反步法设计编队控制器；对编队控制器进行解算，得到编队控制器输出量；根据所述编队控制器输出量控制无人飞艇的螺旋桨转速。本发明方法及系统针对有编队飞行进行轨迹跟踪飞行任务需求的网络化欠驱动无人飞艇，考虑其执行器延迟问题和相对位置受限要求，实现了无人飞艇编队飞行的高精度和稳定控制。

Description

一种无人飞艇编队飞行控制方法及系统

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，特别是涉及一种无人飞艇编队飞行控制方法。

背景技术

无人飞艇是一种轻于空气的航空器，它与气球最大的区别在于具有推进和控制飞行的装置。平流层飞艇是一种依靠尖端科技制造而成的可以长期悬浮于平流层高空的，用于对地球表面进行军事与民用侦察、观测的无人飞艇。

平流层飞艇具有以下应用前景：

1)通信终端：一个平流层飞艇平台在20千米定点高度时，它的地面有效覆盖面积可达数万平方公里，可以为广大区域提供高速通信服务；

2)区域监视：平流层飞艇集合航空器近地飞行与同步轨道卫星定点监视的优点，可以对指定大范围区域进行定点高分辨率监视；

3)气象观测：平流层飞艇飞行高度位于云层之上，可以用来观测台风等极限气象现象。

在此基础上，多个平流层飞艇协同组网还可以在空中形成网络，平流层飞艇可以同卫星、地面基站协作，实现通信、监视与观测的广域覆盖。然而，现有的平流层飞艇的编队控制方法没有考虑存在的执行器延迟问题和相对位置受限要求，因此编队控制的精度和稳定性较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种无人飞艇编队飞行控制方法及系统，针对有编队飞行进行轨迹跟踪飞行任务需求的网络化欠驱动无人飞艇，考虑其执行器延迟问题和相对位置受限要求，提出了基于其非线性模型的一种编队飞行轨迹跟踪控制方法，以实现无人飞艇编队飞行的高精度和稳定控制。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种无人飞艇编队飞行控制方法，包括：

获取期望编队队形；

根据所述期望编队队形确定包含相对位置限制值的障碍李雅普诺夫Lyapunov函数；

利用反步法和所述障碍Lyapunov函数设计虚拟控制器；

对所述虚拟控制器进行解算，得到虚拟控制器输出量；所述虚拟控制器输出量包括消除所述无人飞艇的期望位置与实际位置之间的误差所需的期望速度与期望角速度；

根据所述虚拟控制器输出量计算自适应控制器输出量；

根据所述自适应控制器输出量，利用反步法设计编队控制器；

对所述编队控制器进行解算，得到编队控制器输出量；所述编队控制器输出量包括消除所述无人飞艇的期望速度和期望角速度与实际速度和实际角速度之间的误差所需的控制量；

根据所述编队控制器输出量控制所述无人飞艇的螺旋桨转速。

可选地，所述根据所述期望编队队形确定包含相对位置限制值的障碍Lyapunov函数，具体包括：

根据所述期望编队队形计算轨迹跟踪误差；

根据所述轨迹跟踪误差确定包含相对位置限制值的所述障碍Lyapunov函数。

可选地，所述对所述虚拟控制器进行解算，得到虚拟控制器输出量，具体包括：

根据所述轨迹跟踪误差确定测量误差；

根据所述测量误差设计触发条件；

根据所述触发条件得到自触发控制器的触发时刻；

在所述触发时刻对所述虚拟控制器进行解算，得到虚拟控制器输出量。

可选地，所述根据所述虚拟控制器输出量计算自适应控制器输出量，具体包括：

根据所述虚拟控制器输出量确定所述期望速度和期望角速度与所述实际速度和实际角速度之间的速度和角速度误差量；

根据所述速度和角速度误差量生成虚拟状态量；

根据所述虚拟状态量确定饱和补偿器输出量和所述自适应控制器输出量。

可选地，所述根据所述自适应控制器输出量，利用反步法设计编队控制器，具体包括：

根据所述速度和角速度误差量、所述饱和补偿器输出量以及所述自适应控制器输出量，利用反步法设计所述编队控制器。

一种无人飞艇编队飞行控制系统，包括：

期望编队队形获取模块，用于获取期望编队队形；

障碍Lyapunov函数确定模块，用于根据所述期望编队队形确定包含相对位置限制值的障碍李雅普诺夫Lyapunov函数；

虚拟控制器确定模块，用于利用反步法和所述障碍Lyapunov函数设计虚拟控制器；

虚拟控制器解算模块，用于对所述虚拟控制器进行解算，得到虚拟控制器输出量；所述虚拟控制器输出量包括消除所述无人飞艇的期望位置与实际位置之间的误差所需的期望速度与期望角速度；

自适应控制器输出量计算模块，用于根据所述虚拟控制器输出量计算自适应控制器输出量；

编队控制器确定模块，用于根据所述自适应控制器输出量，利用反步法设计编队控制器；

编队控制器解算模块，用于对所述编队控制器进行解算，得到编队控制器输出量；所述编队控制器输出量包括消除所述无人飞艇的期望速度和期望角速度与实际速度和实际角速度之间的误差所需的控制量；

编队飞行控制模块，用于根据所述编队控制器输出量控制所述无人飞艇的螺旋桨转速。

可选地，所述障碍Lyapunov函数确定模块具体包括：

轨迹跟踪误差计算单元，用于根据所述期望编队队形计算轨迹跟踪误差；

障碍Lyapunov函数确定单元，用于根据所述轨迹跟踪误差确定包含相对位置限制值的所述障碍Lyapunov函数。

可选地，所述虚拟控制器解算模块具体包括：

测量误差确定单元，用于根据所述轨迹跟踪误差确定测量误差；

触发条件确定单元，用于根据所述测量误差设计触发条件；

触发时刻确定单元，用于根据所述触发条件得到自触发控制器的触发时刻；

虚拟控制器解算单元，用于在所述触发时刻对所述虚拟控制器进行解算，得到虚拟控制器输出量。

可选地，所述自适应控制器输出量计算模块具体包括：

速度和角速度误差量确定单元，用于根据所述虚拟控制器输出量确定所述期望速度和期望角速度与所述实际速度和实际角速度之间的速度和角速度误差量；

虚拟状态量生成单元，用于根据所述速度和角速度误差量生成虚拟状态量；

自适应控制器输出量确定单元，用于根据所述虚拟状态量确定饱和补偿器输出量和所述自适应控制器输出量。

可选地，所述编队控制器确定模块具体包括：

编队控制器确定单元，用于根据所述速度和角速度误差量、所述饱和补偿器输出量以及所述自适应控制器输出量，利用反步法设计所述编队控制器。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种无人飞艇编队飞行控制方法及系统，所述方法包括：获取期望编队队形；根据所述期望编队队形确定包含相对位置限制值的障碍李雅普诺夫Lyapunov函数；利用反步法和所述障碍Lyapunov函数设计虚拟控制器；对所述虚拟控制器进行解算，得到虚拟控制器输出量；所述虚拟控制器输出量包括消除所述无人飞艇的期望位置与实际位置之间的误差所需的期望速度与期望角速度；根据所述虚拟控制器输出量计算自适应控制器输出量；根据所述自适应控制器输出量，利用反步法设计编队控制器；对所述编队控制器进行解算，得到编队控制器输出量；所述编队控制器输出量包括消除所述无人飞艇的期望速度和期望角速度与实际速度和实际角速度之间的误差所需的控制量；根据所述编队控制器输出量控制所述无人飞艇的螺旋桨转速。本发明方法及系统针对有编队飞行进行轨迹跟踪飞行任务需求的网络化欠驱动无人飞艇，考虑其执行器延迟问题和相对位置受限要求，提出了基于其非线性模型的一种编队飞行轨迹跟踪控制方法，实现了无人飞艇编队飞行的高精度和稳定控制。

此外，本发明方法及系统还结合了自适应算法设计方法、事件驱动控制方法和反步控制理论。由本发明方法控制的闭环系统是Lyapunov稳定的，并且所设计的事件驱动控制器可以有效节约带宽资源和计算资源。在此基础上，在平流层飞艇的编队飞行过程中，相对位置误差是被限制住的，执行器延迟的不利影响可以被消除，这就为存在执行器延迟问题和相对位置受限要求的无人飞艇编队飞行工程实现提供了有效的设计手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种无人飞艇编队飞行控制方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的无人飞艇的示意图；

图3为本发明一种无人飞艇编队飞行控制系统的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种无人飞艇编队飞行控制方法及系统，针对有编队飞行进行轨迹跟踪飞行任务需求的网络化欠驱动无人飞艇，考虑其执行器延迟问题和相对位置受限要求，提出了基于其非线性模型的一种编队飞行轨迹跟踪控制方法，以实现无人飞艇编队飞行的高精度和稳定控制，为无人飞艇在存在执行器延迟问题和相对位置受限要求、考虑带宽资源与计算资源进行编队飞行时提供一种新型控制方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明一种无人飞艇编队飞行控制方法的流程图。本发明方法考虑了执行器延迟、相对位置受限以及带宽资源与计算资源，其主要构思分成两个回路：位置/姿态角控制回路与速度/角速度控制回路。在位置/姿态角控制回路中，根据给定同编队中的邻居信息与期望编队队形，将相对位置限制设计进障碍Lyapunov函数，利用反步法与障碍Lyapunov函数设计虚拟控制器，最终通过此虚拟控制器给出期望速度与期望角度。在速度/角速度控制回路中，根据上一个回路给出的期望速度与期望角速度，设计控制器跟踪该期望速度与期望角速度，形成两级级联控制，实现无人飞艇的编队控制的同时，在控制器的设计中利用自适应控制技术，设计自适应律消除执行器延迟带来的影响。控制器的输出可等比转换为无人飞艇的螺旋桨转速。

为了方便理解本发明方法中采用的各个函数，现将各个函数中使用的参数及其对应含义介绍如下：

Ρ_iΡ_i＝[x,y,z,φ,θ,ψ]^Τ为飞艇i的当前位置与当前姿态角，i＝0时该飞艇i为领航飞艇，i＝1,2,3,...时该飞艇i为跟随飞艇；

ΔΡ_i,jΔΡ_i,j＝[Δx_i,j,Δy_i,j,Δz_i,j,Δφ_i,j,Δθ_i,j,Δψ_i,j]^Τ为期望编队队形，其中Δx_i,j,Δy_i,j,Δz_i,j为与时间无关的期望队形，Δφ_i,j,Δθ_i,j,Δψ_i,j在飞艇编队控制中一般设为0；

Θ_iΘ_i＝[u,v,w,p,q,r]^Τ为飞艇i的当前(实际)速度与当前(实际)姿态角速度，i＝0时该飞艇i为领航飞艇，i＝1,2,3,...时该飞艇i为跟随飞艇；

ξ 跟踪误差，包括轨迹跟踪误差ξ_P，i以及速度/角速度误差量ξ_Θ,i；

K_xx 控制参数；

控制输入传输相关的事件触发参数；

控制输出解算相关的事件触发参数；

虚拟控制器输出量；

τ_i 飞艇i的编队控制器输出量，可对应到六自由度电机推力与推力产生的力矩；

R_i R＝diag{R_ζ,R_γ}为坐标系转换相关矩阵，具体定义见下文；

M_i 飞艇受力分析相关矩阵，具体定义见下文；

N_i N＝N₁+N₂+N₃为飞艇受力分析相关矩阵，具体定义见下文；

事件触发时刻；

t 当前时刻；

x 飞艇北向位置；

y 飞艇东向距离；

z 飞艇垂向位置，方向向下；

φ 飞艇滚转角；

θ 飞艇俯仰角；

ψ 飞艇偏航角；

u 飞艇前向速度，方向向前；

v 飞艇侧向速度，方向向右；

w 飞艇垂向速度，方向向下；

p 飞艇滚转角速度；

q 飞艇俯仰角速度；

r 飞艇偏航角速度；

▽ 飞艇体积；

ρ 大气密度；

x_g,y_g,z_g 飞艇重心位置

I_x,I_y,I_z 飞艇转动惯量

I_xz 飞艇惯性积

k₁,k₂,k₃ 飞艇惯性因子

B_f 飞艇浮力；

m 飞艇质量；

g 重力加速度；

F_a，M_a 飞艇气动力与气动力矩。

本发明实施例提供的无人飞艇的示意图如图2所示，其中O为飞艇坐标系原点、CV为飞艇形心、CG为飞艇重心、BRF为飞艇坐标系、O_g为地面坐标系原点、ERF为地面坐标系。

在本发明方法及系统中使用的平流层飞艇(无人飞艇)编队成员模型为：

其中，i＝1,2,…,n，n为平流层飞艇编队成员数；Ρ_i和Θ_i分别表示第i个平流层飞艇的位置和速度矢量；τ_i为对应的控制量，t_d为输入时延，d_i为所受干扰。

其中，

基于以上构思和参数含义解释，如图1所示，本发明提供的一种无人飞艇编队飞行控制方法具体包括：

步骤1：获取期望编队队形。

在步骤1中所述的给定期望编队队形为ΔΡ_i,j＝[Δx_i,j,Δy_i,j,Δz_i,j,Δφ_i,j,Δθ_i,j,Δψ_i,j]^Τ，其中Δx_i,j,Δy_i,j,Δz_i,j为与时间无关的期望队形，Δφ_i,j,Δθ_i,j,Δψ_i,j在飞艇编队控制中一般设为0。

步骤2：根据所述期望编队队形确定包含相对位置限制值的障碍李雅普诺夫Lyapunov函数；具体包括步骤201-202。

步骤201：根据所述期望编队队形计算轨迹跟踪误差；轨迹跟踪误差计算如下：

其中ξ_P，i为飞艇i的轨迹跟踪误差，P_i为被控飞艇编队成员i的位置信息，而P_j为飞艇i同编队中其他成员的位置信息(邻居信息)，l_ij为权重系数，n为平流层飞艇编队成员数。

步骤202：根据所述轨迹跟踪误差确定包含相对位置限制值的所述障碍Lyapunov函数。

根据所述轨迹跟踪误差ξ_P，i设计包含相对位置限制值的障碍Lyapunov函数：

其中b为相对位置限制值组成的列向量，b_k为该列向量的第k个元素。

步骤3：利用反步法和所述障碍Lyapunov函数设计虚拟控制器。

确定包含相对位置限制值的障碍Lyapunov函数V₁后，设计

使得V₁满足以下条件：

其中，k_b＞0,k₁≥2k_b，

为自触发时刻，与此相关的自触发控制器在步骤4中设计；k_b与k₁均为正值控制参数。

则虚拟控制器可设计为：

其中

表示自触发时刻

的虚拟控制器输出量，d_i为飞艇i所受干扰。

步骤4：对所述虚拟控制器进行解算，得到虚拟控制器输出量。

步骤4主要为虚拟速度控制器计算，用于计算消除期望位置与实际位置之间的误差所需虚拟控制器输出量

所述虚拟控制器输出量包括消除所述无人飞艇的期望位置与实际位置之间的误差所需的期望速度与期望角速度。所述步骤4具体包括步骤401-404。

步骤401：根据所述轨迹跟踪误差确定测量误差。

测量误差计算如下：

e_Ρ,i(t)＝Π_i(t)-Π_i(t_k)。

步骤402：根据所述测量误差设计触发条件。

触发条件计算如下：

Ω_i(t)＝[Ω_i,k(t)]^T

步骤403：根据所述触发条件得到自触发控制器的触发时刻。

在触发条件的约束下，

对其求导可得，

其中，

因为

以及

所以存在

使得

因此，

接下来结合触发条件可得

因为

存在

因此可得，

最终得到自触发控制器的触发时刻设计值

其中Θ_i、Θ_j分别表示飞艇i、j的速度矢量。l₁和l₂是正值中间量，T表示时间。

步骤404：在所述触发时刻对所述虚拟控制器进行解算，得到虚拟控制器输出量。

飞艇i在自己的触发时刻

更新编队其他成员的状态信息并进行虚拟控制器解算，得到虚拟控制器输出量

所述虚拟控制器输出量

包括消除期望位置与实际位置之间的误差所需的期望速度与期望角速度。

步骤5：根据所述虚拟控制器输出量计算自适应控制器输出量。

所述步骤5包括虚拟状态量生成与自适应控制器设计和计算，计算用来消除执行器延迟影响的自适应控制器输出量。具体包括步骤501-503。

步骤501：根据所述虚拟控制器输出量确定所述期望速度和期望角速度与所述实际速度和实际角速度之间的速度和角速度误差量。

为了避免在后面的运算中出现微分爆炸的情况，利用指令滤波器的输出量来代替对虚拟控制器的输出值直接求导。

定义指令滤波器为：

式中，ζ是阻尼比，ω_n是固有频率。在二阶指令滤波器中，

是滤波器的输入，Φ_i1是滤波器的输出量，Φ_i2可以看作是

的导数。滤波器的初始状态是

Φ_i2(0)＝0。通过指令滤波器可以得到

随后对指令滤波器的估计误差进行定义

在后续的计算中会用到。

本发明中，定义期望速度/角速度与当前速度/角速度的误差量为：

其中，ξ_Θ，i即为期望速度和期望角速度与实际(当前)速度和实际(当前)角速度之间的速度和角速度误差量。本发明中，符号“/”表示“和”。

步骤502：根据所述速度和角速度误差量生成虚拟状态量。

根据所述速度和角速度误差量ξ_Θ，i设计虚拟状态量为：

其中，ξ_Δτ,i为饱和补偿器的输出，而

为自适应控制器的输出。

步骤503：根据所述虚拟状态量确定饱和补偿器输出量和所述自适应控制器输出量。

饱和补偿器设计为：

而自适应控制器设计为：

其中，ξ_Δτ,i为饱和补偿器输出量，

为自适应控制器输出量。K₅，K₆，K₂和K₄均为控制参数。τ_i为编队控制器输出，是虚拟控制器输出τ_0,i经饱和函数得到的，则Δτ_i为饱和误差量Δτ_i＝τ_i-τ_0,i。

其中饱和函数为：

步骤6：根据所述自适应控制器输出量，利用反步法设计编队控制器；具体包括：

根据所述速度和角速度误差量、所述饱和补偿器输出量以及所述自适应控制器输出量，利用反步法设计所述编队控制器。

具体地，根据步骤5中定义与设计所得的速度/角速度误差量ξ_Θ,i、饱和补偿器输出量ξ_Δτ,i和自适应控制器输出量

通过反步法设计如下编队控制器：

其中K₇和K₈为控制参数，

为事件触发时刻，与此相关的事件触发控制器在步骤4中进行设计。

步骤7：对所述编队控制器进行解算，得到编队控制器输出量。

所述步骤7主要包括编队控制器计算，用于计算消除期望速度/角速度与实际速度/角速度之间的误差所需的控制量τ_i。

定义测量误差：

基于上述测量误差，设计如下的事件触发函数：

当

时，定义事件触发，飞艇i进行编队控制器的解算并输出编队控制器输出量τ_i，所述编队控制器输出量包括消除无人飞艇i的期望速度和期望角速度与实际速度和实际角速度之间的误差所需的控制量。此处的编队控制器输出量τ_i可等比转换为螺旋桨转速。

步骤8：根据所述编队控制器输出量控制所述无人飞艇的螺旋桨转速。

步骤7得到的编队控制器输出量τ_i可等比转换为螺旋桨转速。控制工程师在应用过程中可根据实际飞艇编队给定期望编队队形ΔP_i，j，并将由本发明方法计算得到的编队控制器输出量τ_i直接传输至执行机构，实现对存在执行器延迟和相对位置受限的平流层飞艇的编队飞行控制。

本发明提供的一种无人飞艇编队飞行控制方法，考虑了执行器延迟、相对位置受限、带宽资源与计算资源，控制工程师可以按照本发明方法并结合实际参数实现存在执行器延迟问题和相对位置受限要求的无人飞艇编队飞行控制。本发明方法结合了自适应算法设计方法、事件驱动控制方法和反步控制理论。由本发明方法控制的闭环系统是Lyapunov稳定的，并且所设计的事件驱动控制器可以有效节约带宽资源和计算资源。在此基础上，在平流层飞艇的编队飞行过程中，相对位置误差是被限制住的，执行器延迟的不利影响可以被消除，这就为存在执行器延迟问题和相对位置受限要求的无人飞艇编队飞行工程实现提供了有效的设计手段。

基于本发明提供的一种无人飞艇编队飞行控制方法，本发明还提供一种无人飞艇编队飞行控制系统。如图3所示，所述系统包括：

期望编队队形获取模块901，用于获取期望编队队形；

障碍Lyapunov函数确定模块902，用于根据所述期望编队队形确定包含相对位置限制值的障碍李雅普诺夫Lyapunov函数；

虚拟控制器确定模块903，用于利用反步法和所述障碍Lyapunov函数设计虚拟控制器；

虚拟控制器解算模块904，用于对所述虚拟控制器进行解算，得到虚拟控制器输出量；所述虚拟控制器输出量包括消除所述无人飞艇的期望位置与实际位置之间的误差所需的期望速度与期望角速度；

自适应控制器输出量计算模块905，用于根据所述虚拟控制器输出量计算自适应控制器输出量；

编队控制器确定模块906，用于根据所述自适应控制器输出量，利用反步法设计编队控制器；

编队控制器解算模块907，用于对所述编队控制器进行解算，得到编队控制器输出量；所述编队控制器输出量包括消除所述无人飞艇的期望速度和期望角速度与实际速度和实际角速度之间的误差所需的控制量；

编队飞行控制模块908，用于根据所述编队控制器输出量控制所述无人飞艇的螺旋桨转速。

其中，所述障碍Lyapunov函数确定模块902具体包括：

轨迹跟踪误差计算单元，用于根据所述期望编队队形计算轨迹跟踪误差；

障碍Lyapunov函数确定单元，用于根据所述轨迹跟踪误差确定包含相对位置限制值的所述障碍Lyapunov函数。

所述虚拟控制器解算模块904具体包括：

测量误差确定单元，用于根据所述轨迹跟踪误差确定测量误差；

触发条件确定单元，用于根据所述测量误差设计触发条件；

触发时刻确定单元，用于根据所述触发条件得到自触发控制器的触发时刻；

虚拟控制器解算单元，用于在所述触发时刻对所述虚拟控制器进行解算，得到虚拟控制器输出量。

所述自适应控制器输出量计算模块905具体包括：

速度和角速度误差量确定单元，用于根据所述虚拟控制器输出量确定所述期望速度和期望角速度与所述实际速度和实际角速度之间的速度和角速度误差量；

虚拟状态量生成单元，用于根据所述速度和角速度误差量生成虚拟状态量；

自适应控制器输出量确定单元，用于根据所述虚拟状态量确定饱和补偿器输出量和所述自适应控制器输出量。

所述编队控制器确定模块906具体包括：

编队控制器确定单元，用于根据所述速度和角速度误差量、所述饱和补偿器输出量以及所述自适应控制器输出量，利用反步法设计所述编队控制器。

本发明提供的一种无人飞艇编队飞行控制方法及系统，考虑了执行器延迟、相对位置受限、带宽资源与计算资源，与现有技术比，其优点在于：

1、本发明方法及系统能够实现平流层飞艇编队飞行的高精度和稳定控制。

2、本发明方法及系统可以消除执行器延迟带来的影响，同时可以保证编队成员之间的相对位置保持在预定的范围内，不会出现相对位置偏离过大导致系统性能下降的情境。

3、本发明方法及系统通过设计自触发和事件触发机制，大大减少状态信息传输频次与控制器输出解算频次，大大节约了带宽资源与计算资源。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种无人飞艇编队飞行控制方法，其特征在于，包括：

获取期望编队队形；

根据所述期望编队队形确定包含相对位置限制值的障碍李雅普诺夫Lyapunov函数；

利用反步法和所述障碍Lyapunov函数设计虚拟控制器；

对所述虚拟控制器进行解算，得到虚拟控制器输出量；所述虚拟控制器输出量包括消除所述无人飞艇的期望位置与实际位置之间的误差所需的期望速度与期望角速度；

根据所述虚拟控制器输出量计算自适应控制器输出量；

根据所述自适应控制器输出量，利用反步法设计编队控制器；

对所述编队控制器进行解算，得到编队控制器输出量；所述编队控制器输出量包括消除所述无人飞艇的期望速度和期望角速度与实际速度和实际角速度之间的误差所需的控制量；

根据所述编队控制器输出量控制所述无人飞艇的螺旋桨转速。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述期望编队队形确定包含相对位置限制值的障碍Lyapunov函数，具体包括：

根据所述期望编队队形计算轨迹跟踪误差；

根据所述轨迹跟踪误差确定包含相对位置限制值的所述障碍Lyapunov函数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述对所述虚拟控制器进行解算，得到虚拟控制器输出量，具体包括：

根据所述轨迹跟踪误差确定测量误差；

根据所述测量误差设计触发条件；

根据所述触发条件得到自触发控制器的触发时刻；

在所述触发时刻对所述虚拟控制器进行解算，得到虚拟控制器输出量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述虚拟控制器输出量计算自适应控制器输出量，具体包括：

根据所述虚拟控制器输出量确定所述期望速度和期望角速度与所述实际速度和实际角速度之间的速度和角速度误差量；

根据所述速度和角速度误差量生成虚拟状态量；

根据所述虚拟状态量确定饱和补偿器输出量和所述自适应控制器输出量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述自适应控制器输出量，利用反步法设计编队控制器，具体包括：

根据所述速度和角速度误差量、所述饱和补偿器输出量以及所述自适应控制器输出量，利用反步法设计所述编队控制器。

6.一种无人飞艇编队飞行控制系统，其特征在于，包括：

期望编队队形获取模块，用于获取期望编队队形；

障碍Lyapunov函数确定模块，用于根据所述期望编队队形确定包含相对位置限制值的障碍李雅普诺夫Lyapunov函数；

虚拟控制器确定模块，用于利用反步法和所述障碍Lyapunov函数设计虚拟控制器；

虚拟控制器解算模块，用于对所述虚拟控制器进行解算，得到虚拟控制器输出量；所述虚拟控制器输出量包括消除所述无人飞艇的期望位置与实际位置之间的误差所需的期望速度与期望角速度；

自适应控制器输出量计算模块，用于根据所述虚拟控制器输出量计算自适应控制器输出量；

编队控制器确定模块，用于根据所述自适应控制器输出量，利用反步法设计编队控制器；

编队控制器解算模块，用于对所述编队控制器进行解算，得到编队控制器输出量；所述编队控制器输出量包括消除所述无人飞艇的期望速度和期望角速度与实际速度和实际角速度之间的误差所需的控制量；

编队飞行控制模块，用于根据所述编队控制器输出量控制所述无人飞艇的螺旋桨转速。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述障碍Lyapunov函数确定模块具体包括：

轨迹跟踪误差计算单元，用于根据所述期望编队队形计算轨迹跟踪误差；

障碍Lyapunov函数确定单元，用于根据所述轨迹跟踪误差确定包含相对位置限制值的所述障碍Lyapunov函数。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述虚拟控制器解算模块具体包括：

测量误差确定单元，用于根据所述轨迹跟踪误差确定测量误差；

触发条件确定单元，用于根据所述测量误差设计触发条件；

触发时刻确定单元，用于根据所述触发条件得到自触发控制器的触发时刻；

虚拟控制器解算单元，用于在所述触发时刻对所述虚拟控制器进行解算，得到虚拟控制器输出量。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述自适应控制器输出量计算模块具体包括：

速度和角速度误差量确定单元，用于根据所述虚拟控制器输出量确定所述期望速度和期望角速度与所述实际速度和实际角速度之间的速度和角速度误差量；

虚拟状态量生成单元，用于根据所述速度和角速度误差量生成虚拟状态量；

自适应控制器输出量确定单元，用于根据所述虚拟状态量确定饱和补偿器输出量和所述自适应控制器输出量。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述编队控制器确定模块具体包括：

编队控制器确定单元，用于根据所述速度和角速度误差量、所述饱和补偿器输出量以及所述自适应控制器输出量，利用反步法设计所述编队控制器。

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