[发明专利]一种协同高空长航时无人机连接控制方法

说明书

本发明涉及一种协同高空长航时无人机连接控制方法，建立高空长航时无人机运动模型；确定控制量与约束条件；建立控制模型，研究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；考虑了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的分配连接顺序；协同高空长航时无人机连接后进行编队内无人机的最优飞行速度计算，保证在最佳能量状态下飞行。开发了基于能量的连接过程，利用最短路径规划实现节能连接，使编队内部的能量分布更均匀；编队的最终能量分布不受起始距离的影响，使用连接优先级来确定连接顺序可以显著降低编队内的最终能量分配；连接形成的无人机群整体比未连接无人机编队消耗的能量显著降低，飞行范围大大增加。

技术领域

本发明涉及一种控制技术，特别涉及一种协同高空长航时无人机连接控制方法。

背景技术

为了提升无人机的续航能力，提高多无人机任务完成效能，新型无人机和编队飞行控制已经成为研究的热点。关于飞机的节能飞行，在路径规划和热动学方面有过相关讨论，也有无线充电、推进源交替和编队飞行节能技术的研究。早期的飞机节能优化控制研究主要集中在时间或燃料状态上。

高空长航时无人机是一种新型无人机，高空长航时无人机的飞行时间可达几个月甚至几年，但翼展达数十米，极大地限制了支持这种无人机的机场数量，且大翼展轻型无人机也很难进行快速部署。目前，高空长航时无人机的研究主要集中在具有大展弦比的太阳能无人机方面。太阳能飞机会受到发电效率的制约，一般有以下三种策略可以提升太阳能无人机的续航能力。利用较大的纵横比来减少阻力；利用最优控制进行路径规划；通过紧密编队飞行获得空气动力优势。目前，单机的气动布局和气动性能都相对比较成熟，要想再提高气动性能难度较大。

针对编队飞行的研究成为研究的热点，紧密编队飞行的空气动力优势产生的节能效果也较明显，许多大型鸟类在长途迁徙中经常按某种队形飞行，如大雁排成“一”字队形进行迁徙。

发明内容

本发明是针对无人机配合作业的问题，提出了一种协同高空长航时无人机连接控制方法，针对高空长航时无人机进行连接，形成紧密编队进行节能飞行的控制解决方法。

本发明的技术方案为：一种协同高空长航时无人机连接控制方法，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：