CN115826416A - 一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法及其系统 - Google Patents

一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法及其系统 Download PDF

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CN115826416A CN202310132404.5A CN202310132404A CN115826416A CN 115826416 A CN115826416 A CN 115826416A CN 202310132404 A CN202310132404 A CN 202310132404A CN 115826416 A CN115826416 A CN 115826416A
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Abstract

本发明公开了一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法，步骤如下：建立多飞艇系统模型和通信拓扑模型；根据多飞艇系统模型建立分布式扩张状态观测器并用于获得每个飞艇内部状态及外部不确定性扰动的估计值；利用分布式扩张状态观测器构造多飞艇协同控制器；验证多飞艇系统协同控制的有效性。同时公开了基于上述方法的系统，采用上述一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法及其系统，根据分布式扩张状态观测器，每个飞艇获得系统内部状态及外部不确定性扰动的估计值，通过多飞艇协同控制器可对网络拒止环境下多飞艇系统进行协同控制，使在网络拒止环境下，且系统内部状态不可测和存在外部不确定性扰动的情况下，实现多飞艇系统的状态一致。

Description

一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法及其系统
技术领域
本发明涉及协同飞行控制技术领域，尤其是涉及一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法及其系统。
背景技术
飞艇是一种轻于空气的航空器，主要依靠浮升气体提供静升力，通过推进系统和控制系统实现飞行操纵，能够工作在平均风速较小的平流层中，可以长期对地球表面进行军事或民用侦察和观测。
飞艇相比于常规航空器或航天器主要具有以下应用优势：
（1）飞艇主要依靠浮升气体提供静升力，具有能耗低、清洁环保等优点。
（2）飞艇的载荷量较大、覆盖范围比普通飞机更广、驻空时间更长等优点。
（3）飞艇可重复使用、可回收，能够对其部件进行定期的维修和更换，相比于卫星等航天器成本更低，更加经济。
（4）飞艇主要工作在临近空间，生存能力更强，且飞艇的艇囊多采用可探测性低的复合材料，具有较强的生存能力。
但对于大范围、全要素实时探测的需求，单个飞艇的载荷能力依然存在一定的限制，为此，需采用多飞艇的协同探测，形成大范围、全天候、全要素覆盖，使分散的飞艇探测力量有效结合，提升探测能力。
但多飞艇的协同技术面临很多问题。首先，对于飞艇本身而言，由于飞艇的总体布局和飞行特性显著不同于传统飞行器，外界环境会显著影响囊内气体的热力学状态，导致飞艇的姿态、航迹、浮力和压力之间存在复杂的动态耦合关系，进而使飞艇的动力学建模和自主控制面临较大的挑战；其次，对于多飞艇系统而言，由于系统内部的状态大部分不可测，同时系统也会存在各种外部的不确定性扰动，导致为使多飞艇系统的内部状态达成一致的协同控制技术存在一定的难点；再者，由于多飞艇的协同必然涉及到多飞艇间的通信，但在复杂的网络拒止环境下，多飞艇间存在信息传输带宽低、延迟高、数据信息异类异步、信息获取不准确等问题，其中最常见的就是在网络拒止环境下，因设备短暂失灵、电磁干扰等内部或外部原因导致的通信临时中断，进一步增加了多飞艇系统协同控制的难度。
针对在网络拒止环境下，存在通信临时中断导致有向通信拓扑切换的多飞艇协同系统，以及对于多飞艇协同系统内部状态不可测和存在外部不确定性干扰问题，目前并没有较为有效的解决方案，因此极大的限制了多飞艇系统的实际应用。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法，具体步骤如下：
步骤S1：建立多飞艇系统模型和通信拓扑模型；
步骤S2：根据多飞艇系统模型，在多飞艇系统内部状态不可测和存在外部不确定性扰动的情况下，建立对多飞艇系统内部状态及外部不确定性扰动的分布式扩张状态观测器，所述分布式扩张状态观测器用于获得每个飞艇内部状态及外部不确定性扰动的估计值；
步骤S3：利用所述分布式扩张状态观测器构造在网络拒止环境下的多飞艇协同控制器；
步骤S4：验证在网络拒止环境下的多飞艇协同控制器对网络拒止环境下通信中断导致有向通信拓扑切换的多飞艇系统协同控制的有效性，使多飞艇系统状态保持一致。
优选的，所述多飞艇系统模型表示为：
Figure SMS_1
其中，
Figure SMS_2
和
Figure SMS_6
为飞艇的状态信息，
Figure SMS_8
，N为飞艇总数量，
Figure SMS_3
为飞艇所受到的外部扰动；
Figure SMS_5
为控制输入，
Figure SMS_7
和
Figure SMS_9
为系统状态矩阵，
Figure SMS_4
为控制输入矩阵。
优选的，所述通信拓扑模型表示为：
邻接矩阵为
Figure SMS_10
；
若飞艇i从飞艇j获得信息，
Figure SMS_11
，否则
Figure SMS_12
，相应的拉普拉斯矩阵表示为：
Figure SMS_13
其中，
Figure SMS_14
；
当外部干扰
Figure SMS_15
，
Figure SMS_16
及其导数
Figure SMS_17
是连续且有界的，
根据多飞艇系统模型，分布式扩张状态观测器表示为：
Figure SMS_18
式中：
Figure SMS_19
为待设计的常数，满足
Figure SMS_20
，
Figure SMS_21
为待设计的观测器增益，满足
Figure SMS_22
是Hurwitz，
Figure SMS_23
为飞艇的扩张状态
Figure SMS_24
的估计；
根据分布式扩张状态观测器令
Figure SMS_25
，
Figure SMS_26
，表示观测器的估计误差，其中，
Figure SMS_27
则观测器的误差系统表示为：
Figure SMS_28
式中，
Figure SMS_29
。
优选的，当有向通信拓扑图的并集包含一个生成树时，
基于分布式扩张状态观测器的输出，网络拒止环境下多飞艇协同控制器表示为：
Figure SMS_30
式中：
Figure SMS_31
为待设计的常数，
Figure SMS_32
是二项展开的系数，
Figure SMS_33
，
Figure SMS_34
。
优选的，当外部干扰
Figure SMS_35
，
Figure SMS_36
及其导数
Figure SMS_37
是连续且有界的且当有向通信拓扑图的并集包含一个生成树时，
基于分布式扩张状态观测器的输出和多飞艇协同控制器使得多飞艇系统状态一致，一致状态为：
Figure SMS_38
，
Figure SMS_39
为常数。
一种网络拒止环境下多飞艇协同控制系统，包括，
多飞艇系统模型和通信拓扑模型构建模块，用于构建多飞艇的系统模型和通信拓扑模型；
分布式扩张状态观测器构建模块，用于根据多飞艇系统模型，在多飞艇系统内部状态不可测和存在外部不确定性扰动情况下，建立对所述多飞艇系统内部状态及外部不确定性扰动的分布式扩张状态观测器，所述分布式扩张状态观测器用于获得每个飞艇内部状态及外部不确定性扰动的估计值；
网络拒止环境下多飞艇协同控制器构建模块，用于利用所述分布式扩张状态观测器构造在网络拒止环境下存在有向通信拓扑切换的多飞艇协同控制器；
协同控制模块，用于利用所述在网络拒止环境下存在有向通信拓扑切换的多飞艇协同控制器对网络拒止环境下存在有向通信拓扑切换的多飞艇系统进行协同控制。
因此，本发明采用上述一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法及其系统，具有以下有益效果：
（1）在网络拒止环境下，存在通信中断导致有向通信拓扑切换，但在保证通信拓扑图的并集包含一个生成树的情况下，能够实现多飞艇的稳定协同控制。
（2）能够在多飞艇内部状态不可测及存在外部不确定性扰动时，实现多飞艇的稳定协同控制，并验证了有效性。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法流程图；
图2为本发明一种网络拒止环境下多飞艇协同控制系统结构示意图；
图3为本发明一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法仿真中多飞艇通信拓扑示意图；
图4为本发明实施例中多飞艇协同控制下状态变化图。
具体实施方式
实施例
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的实施方式作详细说明。
参考图1，图1为本发明一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法流程图，具体步骤如下：
步骤S1：建立多飞艇系统模型和通信拓扑模型。
本实施例包含5个飞艇，
单个飞艇的数学模型可表示为：
Figure SMS_40
其中：
Figure SMS_41
,
Figure SMS_42
,
Figure SMS_43
Figure SMS_44
Figure SMS_45
Figure SMS_46
Figure SMS_47
Figure SMS_48
Figure SMS_49
Figure SMS_50
Figure SMS_51
Figure SMS_52
Figure SMS_53
Figure SMS_54
Figure SMS_55
Figure SMS_56
式中，
Figure SMS_74
为飞艇位置坐标；
Figure SMS_76
为飞艇姿态角；
Figure SMS_79
为飞艇速度；
Figure SMS_58
为飞艇角速度；
Figure SMS_61
为飞艇转动惯量；
Figure SMS_68
为飞艇惯性积；
Figure SMS_70
为飞艇质量；
Figure SMS_59
为飞艇体积，
Figure SMS_62
和
Figure SMS_66
为质心位置；
Figure SMS_69
为飞艇惯性因子；
Figure SMS_65
为飞艇动压；
Figure SMS_71
为某一飞行高度下的大气密度；
Figure SMS_73
为空速；
Figure SMS_78
为飞艇气动系数；
Figure SMS_75
和
Figure SMS_77
为飞艇体坐标系下的气动力和力矩；
Figure SMS_80
为飞艇所受到的浮力；
Figure SMS_81
为重力加速度；
Figure SMS_60
为飞艇机体系下的右螺旋桨坐标；
Figure SMS_63
和
Figure SMS_67
为方向舵和升降舵的舵偏角；
Figure SMS_72
和
Figure SMS_57
为飞艇的螺旋桨推力；
Figure SMS_64
为飞艇螺旋桨的安装角；
为便于理解，令
Figure SMS_82
，
Figure SMS_83
，则飞艇的动力学模型可简化为如下形式：
Figure SMS_84
则多飞艇的系统模型可表示为：
Figure SMS_85
其中，
Figure SMS_87
和
Figure SMS_90
为飞艇的状态信息，
Figure SMS_91
，N为飞艇总数量，
Figure SMS_88
为飞艇所受到的外部扰动；
Figure SMS_89
为控制输入，
Figure SMS_92
和
Figure SMS_93
为系统状态矩阵，
Figure SMS_86
为控制输入矩阵。
所述的通信拓扑模型可表示为：
考虑通信拓扑结构中的多个飞艇， 每个飞艇之间的通信拓扑关系如图3所示。我们将邻接矩阵定义为
Figure SMS_94
。若飞艇i可从飞艇j获得信息，
Figure SMS_95
，否则
Figure SMS_96
。相应的拉普拉斯矩阵表示为
Figure SMS_97
其中，
Figure SMS_98
。
步骤S2：根据多飞艇系统模型，在多飞艇系统内部状态不可测和存在外部不确定性扰动的情况下，建立对多飞艇系统内部状态及外部不确定性扰动的分布式扩张状态观测器，所述分布式扩张状态观测器用于获得每个飞艇内部状态及外部不确定性扰动的估计值。
当外部干扰
Figure SMS_99
，
Figure SMS_100
及其导数
Figure SMS_101
是连续且有界的，
根据多飞艇系统模型，分布式扩张状态观测器表示为：
Figure SMS_102
式中：
Figure SMS_103
为待设计的常数，满足
Figure SMS_104
，
Figure SMS_105
为待设计的观测器增益，满足
Figure SMS_106
是Hurwitz，
Figure SMS_107
为飞艇的扩张状态
Figure SMS_108
的估计；
根据分布式扩张状态观测器令
Figure SMS_109
，
Figure SMS_110
，表示观测器的估计误差，其中，
Figure SMS_111
则观测器的误差系统表示为：
Figure SMS_112
式中，
Figure SMS_113
。
步骤S3：利用所述分布式扩张状态观测器构造在网络拒止环境下的多飞艇协同控制器。
当有向通信拓扑图的并集包含一个生成树时，
基于分布式扩张状态观测器的输出，网络拒止环境下多飞艇协同控制器表示为：
Figure SMS_114
Figure SMS_115
Figure SMS_116
式中：
Figure SMS_117
为待设计的常数，
Figure SMS_118
是二项展开的系数。
步骤S4：验证在网络拒止环境下的多飞艇协同控制器对网络拒止环境下通信中断导致有向通信拓扑切换的多飞艇系统协同控制的有效性，使多飞艇系统状态保持一致。
当外部干扰
Figure SMS_119
，
Figure SMS_120
（条件1）及其导数
Figure SMS_121
是连续且有界的且当有向通信拓扑图的并集包含一个生成树（条件2）时，
基于分布式扩张状态观测器的输出和多飞艇协同控制器使得多飞艇系统状态一致，一致状态为：
Figure SMS_122
，
Figure SMS_123
为常数。
证明过程如下：
引理1：
Figure SMS_125
是关于
Figure SMS_128
的光滑函数，且
Figure SMS_130
是有界的，令
Figure SMS_126
，其中
Figure SMS_127
是大于0的常数。若存在一个正的常数
Figure SMS_129
，使得对于任意的
Figure SMS_131
都有
Figure SMS_124
，则存在一个依赖于
Figure SMS_132
的
Figure SMS_133
，使得
Figure SMS_134
。
对系统扩张状态
Figure SMS_135
求导可得：
Figure SMS_136
根据条件2以及
Figure SMS_137
，可得
Figure SMS_138
式中
Figure SMS_140
和
Figure SMS_142
为不依赖于
Figure SMS_145
的正常数。因观测器增益
Figure SMS_141
的选择要保证矩阵
Figure SMS_143
是Hurwitz的，则存在一个正定矩阵
Figure SMS_144
满足
Figure SMS_146
，其中
Figure SMS_139
为3维单位矩阵。
定义Lyapunov函数
Figure SMS_147
，令
Figure SMS_148
，
Figure SMS_149
分别表示矩阵
Figure SMS_150
的最小和最大特征值。
根据分布式扩张状态观测器误差方程、
Figure SMS_151
以及
Figure SMS_152
和
Figure SMS_153
，则
Figure SMS_154
关于时间的导数满足：
Figure SMS_155
由
Figure SMS_156
可知，上述不等式可进一步写为：
Figure SMS_157
令
Figure SMS_158
且
Figure SMS_159
，则可得到
Figure SMS_160
，进而可得到：
Figure SMS_161
注意到，对于任意的
Figure SMS_162
，上式右侧在
Figure SMS_163
范围内，随着
Figure SMS_164
将逐渐收敛到0，则可得到在
Figure SMS_165
，随着
Figure SMS_166
，
Figure SMS_167
。
根据网络拒止环境下多飞艇协同控制器，可得到：
Figure SMS_168
则当有向通信拓扑图的并集包含一个有向生成树时，可得到
Figure SMS_169
收敛到0，且
Figure SMS_170
的一致性值为常数。同时，
Figure SMS_171
还可写为如下形式：
Figure SMS_172
Figure SMS_173
Figure SMS_174
根据扩张状态和估计误差可得到：
Figure SMS_175
基于条件1和上述过程可得到在
Figure SMS_177
，当
Figure SMS_179
时，
Figure SMS_182
，进而可以得到当
Figure SMS_178
时，随着
Figure SMS_180
，
Figure SMS_181
，
Figure SMS_183
的一致性值为常数。根据
Figure SMS_176
的定义，可得到：
Figure SMS_184
因
Figure SMS_186
，引理1中的常数
Figure SMS_190
可选的任意小，相应的也可得到当
Figure SMS_191
时，随着
Figure SMS_187
，
Figure SMS_189
，
Figure SMS_192
。具体来说，多飞艇系统动态和
Figure SMS_194
的定义，当
Figure SMS_185
且
Figure SMS_188
，
Figure SMS_193
将逐渐收敛至0，
Figure SMS_195
收敛至常数c。
验证所提出方法的有效性，故令
Figure SMS_197
，
Figure SMS_200
，
Figure SMS_205
，
Figure SMS_199
,
Figure SMS_204
。令
Figure SMS_207
代表多飞艇系统不同的通信拓扑图，如图3所示，同时假设通信拓扑于
Figure SMS_209
开始，每隔0.1s切换到下一个拓扑图，
Figure SMS_198
过后切换为
Figure SMS_202
。对于每个飞艇，扩张状态观测器设计为
Figure SMS_203
，
Figure SMS_208
；所述的网络拒止环境下多飞艇协同控制器设计为
Figure SMS_196
；初始条件为
Figure SMS_201
,
Figure SMS_206
,
Figure SMS_210
,
Figure SMS_211
。
多飞艇系统状态随时间的变化如图4所示，仿真结果表明多飞艇的系统状态在有向通信拓扑的并集包含生成树的条件下能够达到一致，同时，还表明多飞艇系统的状态收敛到常值
Figure SMS_212
。上述仿真验证了本发明所提出的一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法及系统的有效性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤S1：建立多飞艇系统模型和通信拓扑模型；
步骤S2：根据多飞艇系统模型，在多飞艇系统内部状态不可测和存在外部不确定性扰动的情况下，建立对多飞艇系统内部状态及外部不确定性扰动的分布式扩张状态观测器，所述分布式扩张状态观测器用于获得每个飞艇内部状态及外部不确定性扰动的估计值；
步骤S3：利用所述分布式扩张状态观测器构造在网络拒止环境下的多飞艇协同控制器；
步骤S4：验证在网络拒止环境下的多飞艇协同控制器对网络拒止环境下通信中断导致有向通信拓扑切换的多飞艇系统协同控制的有效性，使多飞艇系统状态保持一致。
2.根据权利要求1所述的一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法，其特征在于：所述多飞艇系统模型表示为：
Figure QLYQS_1
其中，
Figure QLYQS_3
和
Figure QLYQS_5
为飞艇的状态信息，
Figure QLYQS_7
，N为飞艇总数量，
Figure QLYQS_4
为飞艇所受到的外部扰动；
Figure QLYQS_6
为控制输入，
Figure QLYQS_8
和
Figure QLYQS_9
为系统状态矩阵，
Figure QLYQS_2
为控制输入矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法，其特征在于：所述通信拓扑模型表示为：
邻接矩阵为
Figure QLYQS_10
；
若飞艇i从飞艇j获得信息，
Figure QLYQS_11
，否则
Figure QLYQS_12
，相应的拉普拉斯矩阵表示为：
Figure QLYQS_13
其中，
Figure QLYQS_14
；
当外部干扰
Figure QLYQS_15
，
Figure QLYQS_16
及其导数
Figure QLYQS_17
是连续且有界的，
根据多飞艇系统模型，分布式扩张状态观测器表示为：
Figure QLYQS_18
式中：
Figure QLYQS_19
为待设计的常数，满足
Figure QLYQS_20
，
Figure QLYQS_21
为待设计的观测器增益，满足
Figure QLYQS_22
是Hurwitz，
Figure QLYQS_23
为飞艇的扩张状态
Figure QLYQS_24
的估计；
根据分布式扩张状态观测器令
Figure QLYQS_25
，
Figure QLYQS_26
，表示观测器的估计误差，其中，
Figure QLYQS_27
则观测器的误差系统表示为：
Figure QLYQS_28
式中，
Figure QLYQS_29
。
4.根据权利要求3所述的一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法，其特征在于：当有向通信拓扑图的并集包含一个生成树时，
基于分布式扩张状态观测器的输出，网络拒止环境下多飞艇协同控制器表示为：
Figure QLYQS_30
式中：
Figure QLYQS_31
为待设计的常数，
Figure QLYQS_32
是二项展开的系数，
Figure QLYQS_33
，
Figure QLYQS_34
。
5.根据权利要求4所述的一种网络拒止环境下多飞艇协同控制方法，其特征在于：当外部干扰
Figure QLYQS_35
，
Figure QLYQS_36
及其导数
Figure QLYQS_37
是连续且有界的且当有向通信拓扑图的并集包含一个生成树时，
基于分布式扩张状态观测器的输出和多飞艇协同控制器使得多飞艇系统状态一致，一致状态为：
Figure QLYQS_38
，
Figure QLYQS_39
为常数。
6.一种网络拒止环境下多飞艇协同控制系统，其特征在于：包括，
多飞艇系统模型和通信拓扑模型构建模块，用于构建多飞艇的系统模型和通信拓扑模型；
分布式扩张状态观测器构建模块，用于根据多飞艇系统模型，在多飞艇系统内部状态不可测和存在外部不确定性扰动情况下，建立对所述多飞艇系统内部状态及外部不确定性扰动的分布式扩张状态观测器，所述分布式扩张状态观测器用于获得每个飞艇内部状态及外部不确定性扰动的估计值；
网络拒止环境下多飞艇协同控制器构建模块，用于利用所述分布式扩张状态观测器构造在网络拒止环境下存在有向通信拓扑切换的多飞艇协同控制器；
协同控制模块，用于利用所述在网络拒止环境下存在有向通信拓扑切换的多飞艇协同控制器对网络拒止环境下存在有向通信拓扑切换的多飞艇系统进行协同控制。
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