[发明专利]基于线性微分包含的多无人机编队控制方法

说明书

本发明公开了一种基于线性微分包含的多无人机编队控制方法，包括：构造无人机群的网络拓扑结构图；确定网络拓扑结构图的邻接矩阵、度矩阵和拉普拉斯矩阵；建立任意一个无人机的运动方程，确定无人机非线性系统，并采用全局线性化方法将无人机非线性系统转换为无人机线性微分包含结构；根据无人机编队控制队形的几何图案确定控制目标；求解双线性矩阵不等式得到相关矩阵参数，并根据相关矩阵参数构造复合拉普拉斯二次型函数，求解得到最优参数；根据最优参数、邻接矩阵、相关矩阵参数和控制目标设计控制算法，通过调节每个无人机的飞行状态达到控制目标。与现有技术相比，本发明能够实现对无人机群的有效编队控制。

技术领域

本发明涉及一种基于线性微分包含的多无人机编队控制方法，属于无人机控制与信息技 术领域。

背景技术

近年来随着无人机相关技术的发展，多无人机控制系统在军事和民用领域获得了很大的 发展，如监控敌情、打击目标、农业灌溉、海上搜救等。其中编队控制是多无人机协同完成 任务的核心环节。编队控制分为队形变换和队形保持，其主要目标是使一组无人机在执行相 关任务时，形成并保持特定的几何图案，以提高任务执行效率，节约无人机的能耗。对于固 定队形结构的编队问题，本质上可以转换为一致性问题，其控制目标是使队形稳定后，所有 无人机的相关状态达到一致，无人机之间距离位置达到指定值。因此在采用分布式一致性算 法进行编队控制时，如何根据多无人机之间的通信拓扑结构设计相关的一致性控制器，是一 个核心问题。

建立无人机的飞行运动模型是进行无人机编队控制的基础。由于无人机遵循的空气动力 学原理以及其自身结构的特殊性，使得无人机的动力学和运动学方程是典型的多变量耦合非 线性方程。即使获得了无人机精确的数学模型，但由于其过于复杂，难以对其进行有效的分 析和综合，特别在实际应用时，直接针对非线性模型进行相关设计，无法实现对无人机群的 有效编队控制。现有的无人机数学模型采用理想的线性模型，无法描述无人机非线性模型内 部由于耦合影响产生的参数不确定性，因此直接针对线性模型设计控制器，产生了很大的误 差。本文采用线性微分包含结构描述无人机的数学模型，描述了无人机数学模型的不确定 性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于线性微分包含的多无人机编队控制方法，可以至少解 决上述技术问题之一。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种基于线性微分包含的多无人机编队控制方法，包括以下步骤：步骤S1，构造无人机 群的网络拓扑结构图，所述网络拓扑结构图包括N+1个节点，每个节点分别代表一个无人机， 所述N+1个节点包括一个领导者无人机节点和N个跟随者无人机节点，其中，N为整数，且 N≥1；步骤S2，确定所述网络拓扑结构图的邻接矩阵、度矩阵和拉普拉斯矩阵；步骤S3， 建立任意一个无人机的运动方程，确定无人机非线性系统，并采用全局线性化方法对无人机 非线性系统进行线性化处理，将无人机非线性系统转换为无人机线性微分包含结构；步骤S4， 设置无人机的初始状态以及无人机编队控制队形的几何图案，并根据所述几何图案确定控制 目标，将控制目标可转换为多智能体一致性问题；步骤S5，根据无人机的线性微分包含结构 中状态参数和相关矩阵参数建立双线性矩阵不等式条件，求解双线性矩阵不等式得到相关矩 阵参数，并根据所求相关矩阵参数构造复合拉普拉斯二次型函数，然后求解所述复合拉普拉 斯二次型函数获取最优参数；步骤S6，根据所述最优参数、所述双线性矩阵不等式中相关矩 阵参数、所述邻接矩阵中元素和所述控制目标，设计基于线性微分包含的多无人机编队控制 算法，通过调节每个无人机的飞行状态达到所述控制目标。