[发明专利]三维空间中多运动体的寻迹编队控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维空间中多运动体的寻迹编队控制方法。

背景技术

众所周知，三维空间中单个运动体的寻迹控制技术因其控制律比较简单、控制系统具有好的鲁棒性以及易于工程实践等特点被广泛应用于军事、太空探索以及空间观测领域中。所谓单个运动体的寻迹控制，是指在控制系统的驱动下，运动体从任意初始位置驶入预先规划好的轨迹，并沿此轨迹运动或者最终运动到目的地。例如：制导导弹按预定的弹道飞行去精确轰炸目标、航天器驶入规定航线进行太空探索以及卫星沿着椭圆轨道监测地面信息等。近些年来，随着协调控制的发展，使得很多复杂任务可以由多个简单运动体通过合作来共同完成，不仅降低了单个运动体制造成本，而且提高了系统的灵活性和鲁棒性，如：战斗机群编队飞行追击敌机、卫星群拍摄高清晰度的地面照片以及多个直升机联合执行大范围的搜救任务等。因此，很多国际空间机构(如NASA和ESA)都将三维空间中多运动体的寻迹编队控制作为21世纪一项关键的技术。

当前，已有的寻迹编队控制方法多是针对平面中的运动体，很少有考虑三维空间中的多运动体寻迹编队。Princeton大学的Leonard教授指导的团队给出了Serret-Frenet坐标系下多个平面运动体在封闭轨道上的协调控制方法(F.Zhang et al，″Control ofcoordinated patterns for ocean sampling，″Int.J.Control，vol.80，pp.1186-1199，2007)。为了通过控制运动体的方向角和速率来实现寻迹编队，该方法要求运动体的速率始终不能为0，因而造成多运动体(如：飞艇)不能执行例如固定于轨道某处进行长时间的观测等任务。由于运动体间信息交互拓扑采用的是双向链式且目标轨迹是简单闭曲线，从而也在一定程度上限制了该方法在实际中的运用(如：某些运动体只有接收转置而另一些只安装了发送器，目标轨迹是无自交点的非封闭曲线)。与此同时，运动体在实际中很多时候得到是在某一固定直角坐标系下确定的局部信息(如：通过传感器网络或者GPS的方式)，并且目标轨迹也是在相同直角坐标系下规划的。

因此，设计三维空间直角坐标下的多运动体的寻迹编队控制方法将更加具有现实意义。但目前还不存在此类控制方法。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种三维空间中多运动体的寻迹编队控制方法，该方法简单可靠、精度较高，可用于多运动体协同探测星体等复杂任务。

技术方案：本发明是一种三维空间中多运动体的寻迹编队控制方法，特别适用于在空间直角坐标系下描述的运动体的动态和目标轨迹。考虑空间中由n个运动体组成的寻迹编队控制系统，运动体的运动可以看成刚体的运动，并且符合牛顿第二定律：

q·i=pi]]>

mip·i=Fi]]>

其中q_i＝[q_xi，q_yi，q_zi]^T∈□³表示运动体i在空间直角坐标系中的位置坐标，p_i＝[p_xi，p_yi，p_zi]^T∈□³表示运动体i的速度，m_i为运动体i的质量，F_i＝[F_xi，F_yi，F_zi]^T∈□³是运动体i的控制力输入，i＝1，...，n。