CN116954267B - 一种不依靠速度反馈的无人机编队鲁棒控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不依靠速度反馈的无人机编队鲁棒控制方法及系统，属于无人机集群控制的技术领域。本发明首先建立无人机编队的有向通讯链路和无人机集群编队的运动模型；然后建立不依靠速度信息反馈的无人机控制律，实现期望的编队飞行；进一步，设计干扰估计补偿控制律，抑制多种干扰影响；最后，将不依靠速度信息反馈的无人机控制律和干扰估计补偿控制律相结合，组成鲁棒合成控制律，实现对无人机编队高精度控制。本发明可以实现无人机编队在无速度信息情况下的编队飞行，可以显著提高无人机编队飞行的精确性。

Description

一种不依靠速度反馈的无人机编队鲁棒控制方法及系统

技术领域

本发明属于无人机编队控制的技术领域，尤其涉及一种不依靠速度反馈的无人机编队鲁棒控制方法及系统。

背景技术

近年来，随着人工智能的发展，无人机编队协同控制逐渐被各个领域所关注。目前在农业、消防、物流、军事行动中被广泛使用。然而，随着任务复杂难度的增大，对无人机编队控制精度提出了严格要求。

对于无人机编队来说，编队控制是指设计编队控器使多架无人机在某个状态层面形成特定的队形组合飞行，而且编队队形可以随着外部环境变化及任务要求随时调整。

目前，一些专利文献已提出了无人机编队控制方法，如：中国专利CN111522362B公开了一种无线速度反馈的四旋翼无人机的分布式编队控制方法。中国专利CN111897358B公开了一种基于自适应滑模的无人机编队容错控制方法。虽然现有的一些控制方法可以实现编队飞行，但是，在编队控制时使用位置和速度信息。在测量获取速度和位置信息时会引入更多的负面干扰，严重影响编队控制精度。

发明内容

鉴于上述问题，本发明公开了一种不依靠速度反馈的无人机编队鲁棒控制方法及系统，用以解决现有技术中的无人机编队因速度测量而引入干扰影响的问题。

本发明一方面，提供了一种不依靠速度反馈的无人机编队鲁棒控制方法，包括以下步骤：

步骤一、建立无人机编队的有向通讯链路并确定编队中心：

无人机编队的有向通讯链路表示为：

G=（V,E）；

其中，V为无人机节点的集合，V={t ₁,t ₂,…,t _n}，n为无人机节点的总数；无人机节点t _i与无人机节点t _j之间有信息交换，二者互为邻居节点，i∈n,j∈n,i≠j，每对邻居节点之间的边为(i,j)和(j,i)；E为无人机节点中邻居节点之间边的集合，E={(i,j)，(j,i)}，A=[a _ij]表示邻居权重矩阵；a _ij表示无人机节点t _i与无人机节点t _i的第j架邻居无人机通信的权重系数；无人机节点t _i的邻居无人机节点t _j集合为N _i，N _i={(t _j|(i,j)∈E}，j=1,2,…,s，s为无人机节点t _i的邻居无人机节点t _j总数；

惯性坐标系中，编队中心的位置坐标为p ₀=[x ₀,y ₀,z ₀]；

无人机节点t _i的位置坐标为p _i=[x _i,y _i,z _i]；

无人机节点t _i的邻居无人机节点t _j的位置坐标为p _j=[x _j,y _j,z _j]；

步骤二、建立无人机集群编队的运动模型：

其中，m _i表示无人机节点t _i的质量；表示无人机节点t _i在飞行过程中的加速度向量；B _i表示无人机节点t _i的系统参数矩阵；ui表示无人机节点t _i的旋翼产生的控制力输入；G _i表示无人机节点t _i在飞行过程中受到的重力；D _i表示无人机节点t _i受到的外界环境干扰力；

步骤三、根据步骤二中的无人机节点的运动模型，建立不依靠速度反馈的无人机节点的控制律；

步骤四、根据步骤二中的无人机节点的运动模型，建立干扰估计补偿控制律；

步骤五、将步骤三中的不依靠速度反馈的无人机节点的控制律和步骤四的无人机干扰估计补偿控制律相结合，组成鲁棒控制律。

可选地，步骤三中的不依靠速度反馈的无人机节点的控制律为：

其中，表示不依靠速度反馈的无人机节点t _i的控制律；/>表示无人机节点t _i的系统参数矩阵B _i的逆矩阵；K ₁，K ₂，K ₃和K ₄表示无人机节点t _i的控制器增益矩阵；/>表示无人机节点t _i的控制器参数设计辅助变量；/>表示无人机节点t _i与编队中心链接的权重系数；h _i表示无人机节点t _i与编队中心的位置偏差；h _ij表示无人机节点t _i与邻居无人机节点t _j的位置偏差；tanh表示数学中双曲正切函数；/>表示辅助变量/>的微分量。

可选地，步骤四中的无人机干扰估计补偿控制律为：

其中，表示无人机节点t _i受到的干扰第一状态估计值；/>表示无人机节点t _i受到的干扰第二状态估计值；/>表示干扰控制律参数矩阵；/>和/>表示变量干扰第一状态估计值/>和干扰第二状态估计值/>的微分；/>表示待设计的干扰估计补偿控制律参数；表示干扰估计补偿控制律。

可选地，外界环境干扰力为外界风扰影响而产生的干扰力。

本发明的另一发明，提供了一种不依靠速度反馈的无人机编队鲁棒控制系统，使用前述的控制方法对无人机集群进行无速度信息反馈的编队控制，包括不依靠速度反馈的无人机节点控制模块、干扰估计补偿控制模块和鲁棒合成控制模块；

不依靠速度反馈的无人机节点控制模块，用于实现无速度反馈信息下的编队飞行；

干扰估计补偿控制模块，用于抑制多种外界干扰影响；

鲁棒合成控制模块，用于将不依靠速度反馈的无人机节点控制模块控制输入和干扰估计补偿控制模块控制输入合成鲁棒控制输入。

与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：

（1）本发明方法建立的无人机编队运动模型和编队系统，构建鲁棒干扰控制律，实现无人机编队飞行，解决了传统控制方法需要速度信息反馈的问题，提高了编队控制精度。

（2）本发明的不依靠速度反馈的无人机节点控制模块，可以实现无速度反馈信息下的编队控制。

（3）本发明的干扰估计补偿控制模块，可以有效抑制多种外界干扰影响。具有较好的鲁棒性，实现在无速度信息的条件下无人机编队安全稳定完成期望的编队任务。

（4）本发明的方法复杂度低，易于实现。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1是无人机在惯性坐标系和本体坐标系下示意图；

图2是本发明的无人机集群编队控制系统的结构图；

图3是本发明的实施例中3架无人机集群编队通讯拓扑结构图；

图4是本发明的实施例中3架无人机飞行时的三维飞行轨迹。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明中，为了实现对无人机节点的状态表征，使用惯性坐标系E _地-OXYZ和无人机节点的本体坐标系E _体-O _b X _b Y _b Z _b；

其中，惯性坐标系E _地-OXYZ为与地球表面固连的坐标系，坐标系原点O选取在地平面一点上，OX轴为指向目标的方向，OY轴垂直于OX轴，OZ轴与其它两轴垂直并构成右手直角坐标系；无人机节点的本体坐标系E _体-O _b X _b Y _b Z _b为与无人机节点本体固连，本体坐标系原点O _b在无人机节点的质心处（质心）；O _b X _b轴在无人机节点对称平面内并平行于无人机节点的轴线指向目标方向；O _b Y _b轴垂直于O _b X _b轴；O _b Z _b轴在无人机节点对称平面内，与O _b X _b轴和O _b X _b轴垂直并构成右手直角坐标系。

本发明的一个实施例，如图1-图4，公开了一种不依靠速度反馈的无人机编队鲁棒控制系统及控制方法，包括以下步骤：

步骤一、建立无人机编队的有向通讯链路并确定编队中心：

无人机编队的有向通讯链路表示为：

G=（V,E）；

其中，V为无人机节点的集合，V={t ₁,t ₂,…,t _n}，n为无人机节点的总数；无人机节点t _i与无人机节点t _j之间有信息交换，二者互为邻居节点，i∈n,j∈n,i≠j，每对邻居节点之间的边为(i,j)和(j,i)；E为无人机节点中邻居节点之间边的集合，E={(i,j)，(j,i)}，A=[a _ij]表示邻居权重矩阵；a _ij表示无人机节点t _i与无人机节点t _i的第j架邻居无人机通信的权重系数；无人机节点t _i的邻居无人机节点t _j集合为N _i，N _i={(t _j|(i,j)∈E}，j=1,2,…,s，s为无人机节点t _i的邻居无人机节点t _j总数。

如图1所示，无人机节点t _i在惯性坐标系E _地-OXYZ中所在的位置，定义如下：

p _i表示无人机节点t _i在地面坐标系E _地-OXYZ中的坐标向量，p _i=[x _i,y _i,z _i]^T。

x _i表示无人机节点t _i在地面坐标系E _地-OXYZ中X方向上的坐标。

y _i表示无人机节点t _i在地面坐标系E _地-OXYZ中Y方向上的坐标。

z_i表示无人机节点t _i在地面坐标系E _地-OXYZ中Z方向上的坐标。

由此，无人机节点t _i的邻居无人机节点t _j在惯性坐标系E _地-OXYZ中所在的位置，定义如下：

p _j表示邻居无人机节点t _j在地面坐标系E _地-OXYZ中的坐标向量，p _j=[x _j,y _j,z _j]^T。

x _j表示邻居无人机节点t _j在地面坐标系E _地-OXYZ中X方向上的坐标。

y _j表示邻居无人机节点t _j在地面坐标系E _地-OXYZ中Y方向上的坐标。

z_j表示邻居无人机节点t _j在地面坐标系E _地-OXYZ中Z方向上的坐标。

如果无人机编队的有向通讯链路中存在一个无人机节点使得该无人机节点到其他所有的无人机节点都有路径，则有向图通讯链路G包含一个生成树，该无人机节点叫做树的根节点。

在本实施例中，无人机编队的根节点为无人机的编队中心，即：无人机编队的中心节点；该编队中心在惯性坐标系中的位置为p ₀=[x ₀,y ₀,z ₀]^T。

步骤二、建立无人机集群编队的运动模型：

其中，m _i表示无人机节点t _i的质量；表示无人机节点t _i在飞行过程中的位置向量；/>表示无人机节点t _i在飞行过程中的加速度向量；B _i表示无人机节点t _i的系统参数矩阵；ui表示无人机节点t _i的旋翼产生的控制力输入；G _i表示无人机节点t _i在飞行过程中受到的重力；D _i表示无人机节点t _i受到的外界环境干扰力。

优选地，D _i表示无人机节点t _i受到的外界风扰影响而产生的干扰力。

步骤三、根据步骤二中的无人机节点的运动模型，建立不依靠速度反馈的无人机节点t _i的控制律。

不依靠速度反馈的无人机节点t _i的控制律为：

其中，表示无人机节点t _i的系统参数矩阵B _i的逆矩阵；K ₁，K ₂，K ₃和K ₄表示无人机节点t _i的控制器增益矩阵；/>表示无人机节点t _i的控制器参数设计辅助变量；/>表示无人机节点t _i与编队中心链接的权重系数；h _i表示无人机节点t _i与编队中心的位置偏差；h _ij表示无人机节点t _i与邻居无人机节点t _j的位置偏差；tanh表示数学中双曲正切函数；/>表示辅助变量/>的微分量。

步骤四、根据步骤二中的无人机节点的运动模型，建立干扰估计补偿控制律。

建立无人机干扰估计补偿控制律，实现无人机集群安全稳定的编队飞行。无人机干扰估计补偿控制律为：

其中，表示无人机节点t _i受到的干扰第一状态估计值；/>表示无人机节点t _i受到的干扰第二状态估计值；/>表示干扰控制律参数矩阵；/>和/>表示变量干扰第一状态估计值/>和干扰第二状态估计值/>的微分；/>表示待设计的干扰估计补偿控制律参数；表示干扰估计补偿控制律。

可以理解的是，无人机节点受到的干扰包括模型参数不确定性和未知的外界风扰受到的干扰力。

步骤五、将步骤三中的不依靠速度反馈的无人机节点t _i的控制律和步骤四的无人机干扰估计补偿控制律/>相结合，组成鲁棒控制律，进而实现对无人机节点t _i的控制。鲁棒控制律为：

。

本发明的另一个具体实施例，如图2，公开了一种不依靠速度反馈的无人机编队鲁棒控制系统，使用前述控制方法对无人机集群进行无速度信息反馈的编队控制，包括不依靠速度反馈的无人机节点控制模块、干扰估计补偿控制模块和鲁棒合成控制模块；

不依靠速度反馈的无人机节点控制模块，用于实现无速度反馈信息下的编队飞行；

干扰估计补偿控制模块，用于抑制多种外界干扰影响；

鲁棒合成控制模块，用于将不依靠速度反馈的无人机节点控制模块控制输入和干扰估计补偿控制模块控制输入合成鲁棒控制输入。

为了便于理解本发明，下面举例详细阐述本发明方法，但是本发明还可以应用于其他不同于此实施例来实施，因此，本发明保护范围不限于下述实例。

在本实施案例中，对3架无人机组成的集群进行编队控制。该3架无人机在执行任务时，按照前述不依靠速度反馈的无人机编队控制方法进行编队控制，根据步骤一中所建立的通讯拓扑结构如图3所示。设置3架无人机初始位置为：p ₁(0)=[0 0 0]^Tm，p ₂(0)=[00]^Tm，p ₃(0)=[-3/>0]^Tm。

根据步骤二建立无人机集群编队的运动模型；设置无人机模型参数如下：m _i =1kg， G _i=[0 0 9.81]^TN，B _i =diag{1,1,1}。无人机集群受到的外界干扰设置为

N，其中，t表示时间，本实施例考虑的外界环境干扰为随着时间变化的。

根据步骤三建立不依靠速度反馈的无人机节点t _i的控制律，为了计算控制律，控制器增益矩阵设置如下：K ₁=diag{2,2,2}，K ₂=diag{2.3,2.3,2.3}，K ₃=diag{2.3,2.3,2.3}，K ₄=diag{1,1,1}，，/>，/>。给出每架无人机与编队中心的位置偏差如下：m，/>m，/>m。根据以上设置条件控制器可以计算不依靠速度反馈的无人机控制输入u _iV。

根据步骤四建立干扰估计补偿控制律，设置观测参数;干扰控制律参数矩阵

根据此参数控制器会计算得到无人机总干扰估计补偿控制律。

将无人机编队速度反馈的无人机节点控制模块控制输入u _iV和无人机编队干扰估计补偿控制律u _iD相结合，组成鲁棒控制律，进而实现对无人机集群控制。

仿真结果分析，从图4可以看出，本发明能够在无速度信息反馈时可以使无人机集群编队实现较好的协同。此外，还能够有效抑制系统模型未知和外界干扰的影响，具有很好的鲁棒性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种不依靠速度反馈的无人机编队鲁棒控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建立无人机编队的有向通讯链路并确定编队中心：

无人机编队的有向通讯链路表示为：

G=（V,E）；

其中，V为无人机节点的集合，V={t ₁,t ₂,…,t _n}，n为无人机节点的总数；无人机节点t _i与无人机节点t _j之间有信息交换，二者互为邻居节点，i∈n, j∈n, i≠j，每对邻居节点之间的边为(i,j)和(j,i)；E为无人机节点中邻居节点之间边的集合，E={(i,j)，(j,i)}，A=[a _ij]表示邻居权重矩阵；a _ij表示无人机节点t _i与无人机节点t _i的第j架邻居无人机通信的权重系数；无人机节点t _i的邻居无人机节点t _j集合为N _i，N _i={t _j|(i,j)∈E}，j=1,2,…,s，s为无人机节点t _i的邻居无人机节点t _j总数；

惯性坐标系中，编队中心的位置坐标为p ₀=[x ₀,y ₀,z ₀]；

无人机节点t _i的位置坐标为p _i=[x _i,y _i,z _i]；

无人机节点t _i的邻居无人机节点t _j的位置坐标为p _j=[x _j,y _j,z _j]；

步骤二、建立无人机集群编队的运动模型：

其中，m _i表示无人机节点t _i的质量；表示无人机节点t _i在飞行过程中的加速度向量；B _i表示无人机节点t _i的系统参数矩阵；/>表示无人机节点t _i的旋翼产生的控制力输入；G _i表示无人机节点t _i在飞行过程中受到的重力；D _i表示无人机节点t _i受到的外界环境干扰力；

步骤三、根据步骤二中的无人机节点的运动模型，建立不依靠速度反馈的无人机节点的控制律，表达式为：

其中，表示不依靠速度反馈的无人机节点t _i的控制律；/>表示无人机节点t _i的系统参数矩阵B _i的逆矩阵；K ₁，K ₂，K ₃和K ₄表示无人机节点t _i的控制器增益矩阵；/>表示无人机节点t _i的控制器参数设计辅助变量；/>表示无人机节点t _i与编队中心链接的权重系数；h _i表示无人机节点t _i与编队中心的位置偏差；h _ij表示无人机节点t _i与邻居无人机节点t _j的位置偏差；tanh表示数学中双曲正切函数；/>表示辅助变量/>的微分量；

步骤四、根据步骤二中的无人机节点的运动模型，建立干扰估计补偿控制律；

步骤五、将步骤三中的不依靠速度反馈的无人机节点的控制律和步骤四的无人机干扰估计补偿控制律相结合，组成鲁棒控制律。

2.根据权利要求1所述的不依靠速度反馈的无人机编队鲁棒控制方法，其特征在于，步骤四中的无人机干扰估计补偿控制律为：

其中，表示无人机节点t _i受到的干扰第一状态估计值；/>表示无人机节点t _i受到的干扰第二状态估计值；/>表示干扰控制律参数矩阵；/>和/>表示变量干扰第一状态估计值/>和干扰第二状态估计值/>的微分；/>表示待设计的干扰估计补偿控制律参数；/>表示干扰估计补偿控制律。

3.根据权利要求1-2任一项所述的不依靠速度反馈的无人机编队鲁棒控制方法，其特征在于，外界环境干扰力为外界风扰影响而产生的干扰力。

4.一种不依靠速度反馈的无人机编队鲁棒控制系统，使用权利要求1-3任一项的控制方法对无人机集群进行无速度信息反馈的编队控制，包括不依靠速度反馈的无人机节点控制模块、干扰估计补偿控制模块和鲁棒合成控制模块；

不依靠速度反馈的无人机节点控制模块，用于实现无速度反馈信息下的编队飞行；

干扰估计补偿控制模块，用于抑制多种外界干扰影响；

鲁棒合成控制模块，用于将不依靠速度反馈的无人机节点控制模块控制输入和干扰估计补偿控制模块控制输入合成鲁棒控制输入。