[发明专利]一种异构无人集群编队合围跟踪控制方法及系统

说明书

本发明涉及一种异构无人集群编队合围跟踪控制方法及系统。该方法中根据异构无人集群系统宏观运动的状态以及有界的控制输入，确定跟踪‑领导者的运动模型；根据跟踪‑领导者的运动模型、编队‑领导者的状态、通信拓扑关系以及时变输出编队向量，构建分布式时变编队跟踪控制器；根据编队‑领导者的状态以及所述跟随者的状态，构建分布式合围‑跟踪控制器；根据分布式时变编队跟踪控制器以及跟踪‑领导者的运动模型构建编队‑领导者运动模型；根据编队‑领导者运动模型以及分布式合围‑跟踪控制器构建跟随者运动模型；本发明实现存在切换通信拓扑与领导者未知输入的异构无人集群系统的编队‑合围跟踪控制。

技术领域

本发明涉及集群系统协同控制领域，特别是涉及一种异构无人集群编队合围跟踪控制方法及系统。

背景技术

无人集群协同控制近年来受到国内外的广泛关注与重视，通过异构无人平台之间的协同互补可显著提升任务执行效能，在大规模协同区域搜索、集群优化调度等多种任务应用中展现出广阔的应用前景。近年来已在航空航天领域进行了大量的应用试验，例如无人机蜂群攻击、多导弹协同突防、多卫星协同探测等。然而已有的无人集群系统的任务类型、协同模式、协同策略相对简单，亟需研究复杂环境条件下的自主协同控制技术。

目前，集群系统协同控制领域已经产生了众多紧密相关而又各有侧重的研究分支，包括一致性控制、编队控制、合围控制等。在传统的合围控制的研究中，通常假设多领导者之间不存在交互与协同。然而，在实际应用场景中，领导者往往需要协同来保持特定的时变编队队形，且能够跟踪参考航迹或者特定目标进行运动，以更好地满足任务需求。例如，高低搭配的多导弹系统协同攻击时，要求高配置的导弹通过协同形成期望的相对阵位关系，同时低配置的导弹需要能够在高配置的导弹的导引下准确落入攻击区域。该场景下就出现了更为复杂的编队-合围跟踪控制问题，集群系统存在层内的不同协同控制目标以及层间的协同耦合，一方面要求多领导者形成特定的编队并跟踪参考轨迹或目标运动，另一方面要求跟随者能够进入领导者所形成编队的内部。因此，研究无人集群系统的编队-合围跟踪控制不仅具有理论意义，更加具有工程实际意义。

现有的协同控制方法一般假设集群系统是同构的，即要求集群中的所有个体具有相同的动力学与运动学模型。然而，同构集群存在智能涌现模式单一及协同能力薄弱等局限性。异构集群跨域协同可以充分发挥无人机、无人车、无人艇等不同无人系统的优势，以结构耦合和功能互补的方式实现集群智能的倍增。但是目前异构集群系统编队控制及合围控制的研究尚处于起步阶段，相关的研究成果较少。同时，在切换拓扑的影响下，现有方法难以使得闭环系统的控制误差收敛，因此直接应用于切换拓扑的无人集群系统编队-合围控制技术有待突破。

发明内容

本发明的目的是提供一种异构无人集群编队合围跟踪控制方法及系统，实现存在切换通信拓扑与领导者未知输入的异构无人集群系统的编队-合围跟踪控制。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种异构无人集群编队合围跟踪控制方法，包括：

根据异构无人集群系统确定跟踪-领导者、编队-领导者和跟随者；所述跟踪-领导者生成整个异构无人集群系统所跟踪的目标信号；所述编队-领导者和所述跟随者分别为异构无人集群系统中不同类型的智能体；

根据异构无人集群系统宏观运动的状态以及有界的控制输入，确定跟踪-领导者的运动模型；所述跟踪-领导者的运动模型用于生成所述异构无人集群系统整体运动的参考轨迹；

获取异构无人集群系统的通信拓扑关系；所述异构无人集群系统的通信拓扑关系中各跟随者邻居集合的并集包含所有的编队-领导者，跟随者之间的作用拓扑是连通的；领导者之间的作用拓扑以跟踪-领导者为根节点的生成树，且编队-领导者之间的作用拓扑是无向的；

根据跟踪-领导者的运动模型、编队-领导者的状态、所述通信拓扑关系以及时变输出编队向量，构建分布式时变编队跟踪控制器；根据编队-领导者的状态以及所述跟随者的状态，构建分布式合围-跟踪控制器；