[发明专利]多尺度风扰分析无人机机群协调控制系统性能评估方法

说明书

本发明涉及航空航天领域，为实现安全性系统评估分析，为无人机系统模型建立工作提供反馈建议，并为智能水平越来越高的无人机群控算法提供设计依据，为多无人机最终的安全、稳定、可靠飞行提供保证。同时可以降低无人机机群试飞风险，缩短研发周期。本发明，多尺度风扰分析无人机机群协调控制系统性能评估方法，步骤如下：①引导者与执行者无人机任务执行分析，根据机群中各无人机任务定位不同分别定义引导者评估输出以及执行者评估输出；②多尺度风扰分析，通过分解无人机随机非线性方程给出机群中各无人机收到风扰动的输出；③安全性群控系统性能评估，定义多尺度下性能评估函数和机群整体任务评估函数。本发明主要应用于无人机系统评估场合。

技术领域

本发明涉及航空航天领域，主要涉及多无人机组成的机群协调控制系统评估问题，具体讲,涉及多尺度风扰分析无人机机群协调控制系统性能评估方法。

背景技术

为了提高无人机飞行性能，越来越多的研究人员深入研究无人机高智能自动控制算法，提高控制器的鲁棒性、可靠性，致力于提升无人机闭环控制系统的综合性能，并由单机飞行扩展为多无人机机群协同工作完成复杂任务。

为了评估高智能控制系统的综合性能，需要合理并可靠的系统评估方法。系统评估将针对无人机闭环控制系统给出整体评价，并依据多无人机的工作环境和自身特点，详细分析无人机机群相互配合执行任务的性能，并给出使用者关心的评价指标。

随着无人机群控技术的发展、人工智能技术的进步、飞行任务需求的多样化、无人机的设计越来越复杂，多无人机机群的构成越来越多样化。其空气动力系统、飞行控制系统、发动机系统、弹性结构系统之间的耦合作用也越来越明显，群控系统不可避免的呈现高阶非线性特性。为了降低多机协调飞行试验以及群控飞行任务执行的风险，提高智能群控飞行的可靠性，研究定量分析的安全性评价方法至关重要。基于多尺度风扰分析的多无人机智能协调控制系统性能评估方法，将针对无人机群控系统的非线性、阶数高等特点，给出有针对性的定量闭环系统可靠性评价结果，将有助于提升无人机群飞行安全，大大降低实际飞行测试的资金消耗。

评价无人机闭环控制系统性能的思路，通常分为横向姿态控制性能评估、纵向飞行轨迹控制性能评估，该思路根据无人机数学模型的模态特点及飞行任务侧重分别研究性能评估方法。评价无人机闭环控制系统性能的具体方法，通常分为时域一致性分析方法以及频域一致性分析方法，该思路以稳定性和鲁棒性分析为核心方法，通过比较标称系统输出和待评估无人机控制系统输出一致性得到评估结果。

这些适用于无人机的控制系统性能评估算法，从单一无人机数学模型入手，考察单一无人机飞行任务执行能力，评估输入信号与输出信号之间的关系。然而，当多无人机共同协作完成统一任务时，整体群控系统数学模型将与单一无人机数学模型将产生很大不同。组成无人机群的独立无人机系统构成可能结构单一，模型阶数较低、特性简单，也可能负责重要群控任务使得结构复杂，模型阶数升高，且呈现非线性特性。针对这些结构不一致，复杂程度不一致的多个独立无人机数学模型，协调无人机机群的高智能群控算法，强调整体系统的控制能力，以及整体机群任务的完成能力，在群控整体目标要求下，单一无人机的姿态控制以及指令跟踪控制性能评估与机群协调控制性能评估目标也将发生很大不同。可能对于单一无人机的独立控制系统来说很重要的性能指标，在整体任务的执行中重要程度将有所下降，而整体性能参数的评估将变得更为重要。因此，单一无人机控制系统的性能评估方法无法直接应用于多无人机机群协调控制方法的评估中。

在无人机机群通过协作，完成整体飞行任务时，往往会受到来自外界的不可避免的风扰动，如自然风以及无人机机翼运动带来的机群自扰风。风的扰动，对于单一无人机飞行以及多无人机机群飞行的影响，尺度不同，如小评估尺度下，受到风扰动的单一无人机暂态调节对于机群任务而言是否安全，大评估尺度下，受到风扰动的整体机群飞行状态改变是否安全。目前还没有统一有效的系统评估方法可以适用于多无人机机群飞行系统，也无法系统的处理风扰下的机群安全性评估。