[发明专利]一种基于切换拓扑的无人机群协同安全控制方法

说明书

本发明公开了一种基于切换拓扑的无人机群协同安全控制方法，步骤为：利用时变切换拓扑图来表示每个切换子系统中无人机群之间的信息交互；考虑外部干扰的影响，分别建立切换子系统中无人机领航者和无人机跟随者的二阶动力学方程；设计出同时考虑外部干扰和事件触发的安全控制器，用于追踪无人机领航者的运动轨迹，并能使跟随者无人机群之间的队形保持；建立切换子系统下无人机群误差系统方程，得到无人机群误差系统的稳定性条件，并利用H无穷方法对外部干扰进行抑制。本发明解决了无人机编队中不同队形下的信息交互问题、数据冗余问题以及受外界干扰的问题。

技术领域

本发明属于无人机控制领域，特别涉及了一种无人机群协同安全控制方法。

背景技术

无人机具有自主性或者远程操控性，通过为无人机配备相关的设备，可以实现无人机在许多场景的应用。例如，携带摄像机的无人机可以进行摄影；装载杀伤性武器的无人机可用于军事战争。无人机相比较于有人机，成本低，没有人员伤亡威胁，灵活性强，加之近年来控制技术、通讯技术、计算机科学以及材料技术迅速发展，使得无人机的研究更加炙手可热，尤其是在民事应用和军事应用等方面。

然而，由于单架无人机在执行任务时能力有限，一旦发生故障就会导致任务失败。面对更加复杂的空中任务，单架无人机更加势单力薄，无人机编队技术的发展能够很好的解决这一难题。根据对战场大环境以及敌机兵力分布的判断，多架无人机进行自主编队与协同控制，并以某种有利的队形排列进行协同侦察、作战，与单机单次作战相比较，大大提高了执行任务的成功率。无人机编队协同技术包括无人机队形的产生、保持和变换，由于执行任务的不同，无人机群需要以不同的队形来更好地相互配合和协作，这样可以弥补单架无人机生存能力低、执行任务效率低以及安全性差等缺陷。目前，无人机编队协同技术主要需要解决编队保持控制问题、无人机之间的通信问题、数据融合问题以及路径规划问题等。

无人机编队在执行任务过程中，队形不可能是一成不变的。例如空中巡航时，横字队形可以进行大面积覆盖，有利于及时侦察并发现威胁；作战攻击时，常选择梯队，可以灵活地实现作战策略。而不同队形下，无人机群之间的信息交互拓扑也是不同的，如何实现不同队形下的信息交互是本领域需要考虑的问题。

此外，如果一架跟随者无人机进行周期采样，并将采集的数据实时传输给领航者无人机或者相邻的跟随者无人机，如果样本数据的变化不大，势必会产生大量冗余数据，造成通信链路阻塞乃至崩溃。同时在无人机编队中，外部干扰也是不容忽视的一大问题。无人机在飞行过程中会受到来自外界环境的各种干扰，如风和气流等，这些外部干扰不仅会影响无人机的飞行状态，导致无人机编队之间的安全距离发生变化，影响无人机编队的安全飞行，从而引发无人机之间发生碰撞，而且会致使无人机系统在干扰下无法正常工作，致使任务执行受阻，造成严重的经济损失。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种基于切换拓扑的无人机群协同安全控制方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种基于切换拓扑的无人机群协同安全控制方法，包括以下步骤：

(1)引入图论，利用时变切换拓扑图来表示每个切换子系统中无人机群之间的信息交互，包括领航者无人机对跟随者无人机的信息传达和跟随者无人机之间的信息通信；一个切换子系统为一种任务或环境对应的无人机群通信拓扑；

(2)建立切换子系统中无人机领航者二阶动力学模型，用于提供无人机群飞行过程中的运动轨迹；考虑外部干扰的影响，建立切换子系统中无人机跟随者的二阶动力学方程；

(3)通过引入时变安全函数使无人机跟随者达到理想的编队效果，并保持安全距离；通过引入事件触发机制来减少跟随者无人机群之间的冗余数据，缓解网络传输压力；从而设计出同时考虑外部干扰和事件触发的安全控制器，用于追踪无人机领航者的运动轨迹，并能使跟随者无人机群之间的队形保持；