[发明专利]一种无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法

说明书

本发明公开一种无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法：确定无人机集群名义编队构型，根据无人机集群名义编队构型选择领航无人机；确定无人机集群的通信拓扑，基于该通信拓扑和名义编队构型，求解无人机集群的应力矩阵；计算领航无人机与环境中的障碍间的避障势函数；生成领航无人机的期望位置和速度；计算领航无人机的有限时间飞行控制律；更新领航无人机的飞行状态；计算跟随无人机的有限时间飞行控制律；更新跟随无人机的飞行状态；持续该过程直至满足终止条件。本发明方法实现简单，在无人机集群的编队形状上具有很大灵活性，保证无人机集群能在有限时间内形成时变编队构型，对不确定环境和机动变化具有很好的适应能力。

技术领域

本发明涉及一种无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法，属于无人机集群协同控制技术领域。

背景技术

无人机集群通过信息的交互共享，可以功能分布化的形式执行协同搜索、救援、侦察和打击等任务，从而有效提高体系生存率和任务执行能力，具有部署方式灵活、鲁棒性强和可扩展性好等诸多优势。无人机集群编队飞行是指多架具有自主能力的无人机按照一定几何构型进行三维空间排列，且在飞行过程中可保持稳定队形，并能根据外部环境和任务需求等动态调整编队构型。

目前常见的无人机编队飞行控制方法主要包括基于行为、虚拟结构、一致性理论和仿生的方法等。这些方法大多集中在使无人机集群按照一定的几何构型进行三维空间部署，即通过对无人机集群内部机间的位置、位移或方位等分别施加一定的代数约束。虽然这些方法在解决无人机集群的编队飞行控制问题方面已经取得了很大的进展，但是这些方法在实际应用中仍然具有很大的局限性。其中，无人机集群的编队飞行控制要求每架无人机在复杂不确定的环境中仅利用有限的局部信息，形成某种面向任务的几何构型，并保持该构型协同机动以完成任务。然而，上述编队飞行控制方法难以解决不同机动条件下具有时变的平移、旋转和变尺度的编队控制问题。此外，目前大多数的编队控制方法都集中在渐近收敛到期望的编队构型，这意味着所期望的编队构型不能在有限时间内得到保证。然而从实际应用来看，无人机集群快速集结形成期望的编队构型以及快速避开飞行环境中的障碍物，并在避开障碍物后能够快速形成新的编队构型对无人机集群至关重要。

针对现有无人机编队飞行控制方法在编队构型设计不灵活、鲁棒性和适应性能力不足的问题，本发明旨在通过设计一种无碰撞的无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法，提高无人机集群对不确定飞行环境和机动变化的适应能力。与其他编队飞行控制方法相比，该方法不需要通过指定无人机机间的绝对位置、方位或相对位置、方位来定义无人机集群的编队构型。相反地，该方法基于仿射变换的性质，通过对无人机集群的名义编队构型进行仿射变换可以得到时变的编队构型；结合所设计的无人机与飞行环境中障碍间的成对光滑避障势函数，基于Lyapunov有限时间稳定性理论设计有限时间仿射编队飞行控制律，通过控制集群中的少数无人机(领航无人机)的机动就可以使整个无人机集群在有限时间内形成并保持新的编队构型，并避免无人机与障碍物发生碰撞，保障无人机集群的安全。

发明内容

1、发明目的：

本发明提供了一种无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法，其目的是提供一种分布式的有限时间无人机集群时变编队飞行控制方法，旨在提高无人机集群对不确定飞行环境和机动变化的适应能力，从而有效提高无人机集群编队飞行水平。

2、技术方案：

本发明针对受限环境下的无人机集群协同控制问题，提供了一种无人机集群有限时间仿射编队飞行控制方法，该方法的实现框图如图1所示，主要的实现步骤如下：

步骤一：初始化