[发明专利]无人飞行器编队的控制方法、装置及控制器

说明书

本发明提供了一种无人飞行器编队的控制方法、装置及控制器，涉及自动化控制技术领域，该方法包括：获取无人飞行器编队的当前位置数据和当前姿态数据；根据当前位置数据和预先设计的鲁棒位置控制器，确定垂直位置控制输入和期望姿态数据；根据当前姿态数据和期望姿态数据、以及预先设计的鲁棒姿态控制器，确定姿态控制输入；根据垂直位置控制输入和姿态控制输入，对无人飞行器编队进行控制；其中，鲁棒位置控制器和鲁棒姿态控制器均是基于图论、反步法和鲁棒补偿技术实现的。通过基于拓扑的图论方法提高了无人飞行器编队的一致性；通过鲁棒补偿方法提高了无人飞行器编队在飞行过程中鲁棒稳定性。

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，尤其是涉及一种无人飞行器编队的控制方法、装置及控制器。

背景技术

无人飞行器(UAV，Unmanned Aerial Vehicle)又称为无人机，可以作为空中平台。多无人飞行器系统的编队控制问题最近在机器人、航空航天和无线通信等领域引起了广泛关注。多架无人飞行器的使用可以减少单个空中平台所需的尺寸和复杂度，从而提高了效率。随着无人飞行器编队协作完成复杂任务的需求不断增加，飞行队形的鲁棒性是很重要的。

无人飞行器编队的控制方法主要包括以下几种：行为策略方法、虚拟结构方法和领导者—跟随者方法。然而这三种方法都有各自的缺点，具体如下：行为策略方法的模型过于复杂，难以进行理论分析；基于虚拟结构的方法要求形成虚拟结构，需要了大量的通信和计算，限制了该方法的潜在应用规模；领导者—跟随者方法过分依赖领导者，领导者没有跟随者的明确反馈，不具有鲁棒性。因此，现有的控制方法都无法较好地解决无人飞行器编队的一致性问题。

另外，每架无人飞行器都存在非线性、强耦合性和欠驱动等不确定性，并且在平移和旋转运动过程中存在外部扰动，这些不确定性和外部扰动会使无人飞行器编队在飞行过程中的位置和姿态难以保持统一，影响无人飞行器编队的飞行性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无人飞行器编队的控制方法、装置及控制器，以提高无人飞行器编队的一致性，提高无人飞行器编队在飞行过程中鲁棒稳定性。

第一方面，本发明实施例提供了一种无人飞行器编队的控制方法，包括：获取无人飞行器编队中的每架飞行器的当前位置数据和当前姿态数据；根据各架所述飞行器的当前位置数据和预先设计的鲁棒位置控制器，确定各架所述飞行器的垂直位置控制输入和期望姿态数据；根据每架所述飞行器的当前姿态数据和期望姿态数据、以及预先设计的鲁棒姿态控制器，确定每架所述飞行器的姿态控制输入；根据各架所述飞行器的所述垂直位置控制输入和所述姿态控制输入，对所述无人飞行器编队进行控制；其中，所述鲁棒位置控制器和所述鲁棒姿态控制器均是根据预先采用反步法建立的各架所述飞行器的动力学标称模型、所述无人飞行器编队中心的规定参考轨迹以及编队队形，基于图论和鲁棒补偿器设计的。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述方法还包括：通过以下步骤设计所述鲁棒位置控制器和所述鲁棒姿态控制器：获取所述规定参考轨迹以及所述编队队形；采用反步法为每架所述飞行器建立的动力学标称模型，并通过引入干扰，得到与所述动力学标称模型对应的真实模型；基于图论确定所述无人飞行器编队的编队控制协议，所述编队控制协议包括用于模拟各架所述飞行器之间的信息交换的有向图以及虚拟领导者与各架所述飞行器之间的连接权重；根据所述规定参考轨迹、所述编队队形、所述真实模型和所述编队控制协议，并通过引入鲁棒补偿器来设计所述鲁棒位置控制器；根据由当前姿态数据和期望姿态数据定义的姿态误差，并通过引入鲁棒补偿器来设计所述鲁棒姿态控制器。