[发明专利]一种协同高空长航时无人机连接控制方法

摘要

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ES'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。

主权项

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：Vi,min≤Vi≤Vi,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Xi(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；Wi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Xi(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ES'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，nk为时域长度；E0,S'为无人机编队S'未开始进行连接的初始能量状态；ES'(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：Φi＝||XS"(k+nk‑1)‑Xi(k+nk‑1)||＝ri,S"其中，ri,S"为无人机与连接目标的期望距离，XS"(k+nk‑1)为k+nk‑1时刻已完成连接的无人机编队S"的状态量。