[发明专利]一种协同高空长航时无人机连接控制方法

权利要求书

1.一种协同高空长航时无人机连接控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)建立高空长航时无人机运动模型：

高空长航时无人机相对地面运动模型的系统运动方程式如下：

其中，i∈{1,2,…,N}表示无人机在编队中序号，N为编队中无人机的数量；分别为无人机i在水平面x轴和y轴上的速度分量；为无人机i的航向角ψ_i求导得到的机动速度；V_i为无人机i的飞行速度；α_i为无人机i的法向加速度；

2)确定控制量与约束条件：

选取包括速度和机动速度的向量作为控制量，设V_i,min为无人机i的可用最小速度，V_i,max为无人机i的可用最大速度，且速度的约束与已连接无人机的数量无关，关系为：

V_i,min≤V_i≤V_i,max

已连接无人机的机动速度约束为：

其中，为已完成连接的无人机的机动速度；为已完成连接的n架无人机的最大机动速度；n∈{2,…,N}为已完成连接的无人机数量；

记无人机i的状态量为X_i(k)＝[x(k) y(k) ψ(k)]^T，则对系统运动方程式进行线性化和离散化，可以等价地以矩阵形式表述为：

其中，k＝0,1,2,…,K为离散时刻；K为离散时刻数量；Δt为离散步长；W_i为零均值高斯白噪声，满足均值为零的正态分布；

3)确定节能连接的顺序：

根据单架无人机的能量状态以及与已完成连接的无人机编队的距离来确定分配连接顺序；

4)使用零升阻力方程，确定编队内无人机的最优飞行速度；

5)建立控制模型：

具有状态向量X_i(k)的无人机i必须依次与已完成连接的无人机编队S进行连接，完成此连接过程中消耗整体无人机编队S'最少能量E_S'的控制策略，

太阳能无人机能量最优连接策略问题的控制目标函数为：

其中，n_k为时域长度；E_0,S'为无人机编队S'未开始进行连接的初始能量状态；E_S'(k+j)为无人机编队S'在k+j时刻所消耗的能量，时域值与连接的时长有关，连接时间越长时域值越大；C为节能连接策略；

连接中的无人机最终位置的约束如下：

Φ_i＝||X_S(k+n_k-1)-X_i(k+n_k-1)||＝r_i,S

其中，r_i,S为无人机与连接目标的期望距离，X_S(k+n_k-1)为k+n_k-1时刻已完成连接的无人机编队S的状态量；

所述步骤3)确定节能连接的顺序具体步骤如下：

已经连接编队“能量中心”方程表达式如下：

其中，为已完成连接的无人机i的状态X_i(k)＝[x(k) y(k) ψ(k)]^T的样本均值，E₀是未进行连接时无人机编队的平均初始能量状态，E_i是已完成连接的无人机i的当前能量状态；

已连接无人机编队中单架无人机与已连接无人机编队“能量中心”的距离表达式为：

其中，分别为已完成连接的无人机i的状态均值的x轴和y轴分量，分别为能量中心的x轴和y轴分量；

连接优先级的表达式为：

其中，Ω_d是E_i与距离间的加权值；R为无人机未开始进行连接时的起始平均距离；Q_d值越大优先级越高；

所述编队内无人机的最优飞行速度的获取方法如下：

无人机的能量消耗率使用零升阻力方程来近似，由n架无人机编队S'功率消耗近似计算表达式为：

P_S'(V,n)＝TV

其中，V为无人机编队的空速；T为无人机编队整体的螺旋桨推力；

T＝D

无人机编队飞行过程中阻力D的计算如下：

其中，ρ为空气密度；S为机翼面积；C_D的表达式为：

其中，为零升阻力系数；λ为展弦比；e为Oswald效率系数；升力系数C_L的表达式为：

其中，为零升力系数；为升力线斜率；α为功角；

无人机编队的升力为：

无人机定高飞行时，升力与重力有如下关系：

其中，m_i为无人机i的质量；为滚转角；

联立无人机编队的升力式和升力与重力关系式，可求得无人机的最优飞行速度为：