[发明专利]使用有向通讯拓扑结构的无人飞行器有限时间编队方法

说明书

本发明公开了使用有向通讯拓扑结构的无人飞行器有限时间编队方法，涉及无人机技术领域，方法包括：无人飞行器获取自身状态信息，并接收相邻无人飞行器发送的状态信息，将获取的状态信息发送给分布式有限时间编队控制器；分布式有限时间编队控制器根据编队构形信息、获取的相邻无人飞行器状态信息和自身状态信息，经过变换和计算形成机动指令，在机动指令的要求下，无人飞行器改变航向或速度，沿着预定轨道飞行。与传统方法相比，本发明方法中的位置误差e_p，i不使用编队轨迹信息，能够实现被控系统有限时间稳定，具有控制器信号连续，计算量小，不需要被控系统满足齐次性假设，以及使用有向通讯拓扑结构的优点。

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，特别是涉及使用有向通讯拓扑结构的无人飞行器有限时间编队方法。

背景技术

无人飞行器在军事和民用领域发挥着巨大的作用。大量事实证明单架无人飞行器在执行任务时仍然存在诸多问题，比如传感器角度限制使得在大范围搜索目标时，无人飞行器不能有效覆盖整个侦察区域。为了提高无人飞行器单次完成任务的成功率，同时也为了拓宽无人飞行器的使用范围，多无人飞行器协同编队技术应运而生。考虑到无人飞行器的运动特性，飞行编队系统需要很高的控制精度。近些年来，有限时间控制渐渐成为控制界的研究热点和研究前沿。相比传统稳定系统，有限时间稳定系统具有较快的响应速度，较高的稳定/跟踪精度以及较好的扰动抑制能力。这样的系统性能正是飞行编队系统所迫切需要的。然而，有限时间稳定系统固有的非光滑控制特性给相关控制律的设计带来了巨大的困难。因此，即使有限时间稳定系统具有上述诸多优点，关于有限时间控制律设计的研究还是非常少。无人飞行器有限时间协同编队控制问题既是航空航天技术领域的研究热点，同时又是控制工程领域的研究难题，对该问题的深入研究具有重要的科学意义和广泛的应用价值。

常用的有限时间控制方法有终端滑模控制(terminal sliding mode control)，这种方法经常受到潜在的奇异性和颤动现象的影响。齐次性理论(homogeneous theory)也常被用于处理有限时间控制问题，齐次性要求被强加于非线性项中。解决有限时间控制问题的另一种方法是添加幂积分器(adding a power integrator)技术。由于在递归设计中反复使用分数幂会增加控制器的设计复杂度，相关结果适用于具有足够计算成本的系统。

此外，现有的大部分关于无人飞行器协同编队问题的研究是基于无向通讯拓扑结构，即无人飞行器间的通信交互是双向的。但在实际应用中，由于经济或技术原因，例如通信成本或通信故障等原因，许多通信网络不能构成无向拓扑。因此，开发一种使用有向通讯拓扑结构的无人飞行器有限时间协同编队方法是非常必要的。

发明内容

本发明实施例提供了使用有向通讯拓扑结构的无人飞行器有限时间编队方法，可以解决现有技术中的问题。

本发明提供了使用有向通讯拓扑结构的无人飞行器有限时间编队方法，包括以下步骤：

无人飞行器在飞行过程中获取自身状态信息，并接收相邻无人飞行器发送的状态信息，将获取的状态信息和接收到的状态信息发送给分布式有限时间编队控制器，其中，相邻无人飞行器之间的信息收发单向进行；

分布式有限时间编队控制器根据预先设定的编队构形信息、获取的当前无人飞行器的状态信息和相邻无人飞行器状态信息，经过变换和计算形成机动指令，在所述机动指令的要求下，无人飞行器改变航向或速度，沿着预定轨道飞行；

所述机动指令按照以下流程计算得到：

根据编队构形信息、当前无人飞行器状态信息和相邻无人飞行器状态信息计算位置误差和速度误差；

根据位置误差和速度误差设计新动态变量；

基于新动态变量构建李雅普诺夫函数；

根据李雅普诺夫稳定理论和有限时间稳定性定理，最终计算得到机动指令。