本發(fā)明涉及無人機(jī)編隊(duì)控制，具體的是一種抗復(fù)合風(fēng)場(chǎng)干擾分布式無人機(jī)編隊(duì)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、自20世紀(jì)50年代以來，國(guó)內(nèi)外在無人機(jī)編隊(duì)控制領(lǐng)域進(jìn)行了大量的探索和研究。在應(yīng)用場(chǎng)景和程序開發(fā)的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)時(shí)變編隊(duì)的需求日益增長(zhǎng)。關(guān)于線性和非線性無人飛行器分布式編隊(duì)的研究層出不窮。隨著時(shí)間的推移，控制多個(gè)無人機(jī)編隊(duì)的重點(diǎn)已從理想環(huán)境轉(zhuǎn)向更為實(shí)際的場(chǎng)景。因此，確保無人機(jī)在未知干擾或不同氣象條件下的穩(wěn)定性已成為廣泛應(yīng)用的必要條件。

2、隨著應(yīng)用和場(chǎng)景的發(fā)展，對(duì)無人機(jī)間相對(duì)定位的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)需求變得越來越重要。這種適應(yīng)性允許根據(jù)不斷變化的外部環(huán)境條件實(shí)時(shí)調(diào)整整體編隊(duì)配置，最終改善任務(wù)執(zhí)行條件。這種不斷發(fā)展的必要性凸顯了對(duì)多無人機(jī)系統(tǒng)所面臨的時(shí)變編隊(duì)控制挑戰(zhàn)進(jìn)行深入研究的重要性。其中一個(gè)值得注意的方法是利用歐拉-拉格朗日系統(tǒng)來解決時(shí)變跟蹤問題，而另一項(xiàng)研究則進(jìn)一步考慮了外部干擾，以優(yōu)化時(shí)變跟蹤性能。在實(shí)際飛行場(chǎng)景中，無人機(jī)不可避免地會(huì)遇到各種各樣的干擾因素，這些干擾因素通常具有非線性甚至未知的行為特征。在時(shí)變狀態(tài)下檢測(cè)此類干擾的上限尤其具有挑戰(zhàn)性。

3、隨著對(duì)多無人機(jī)編隊(duì)的深入了解，研究已從線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)向更復(fù)雜的非線性系統(tǒng)。例如，針對(duì)二階系統(tǒng)中的時(shí)變線性編隊(duì)問題，人們?cè)O(shè)計(jì)了魯棒控制器，利用擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器方法解決外部擾動(dòng)問題。同樣，考慮到模型參數(shù)不確定性和外部擾動(dòng)，針對(duì)時(shí)變線性編隊(duì)設(shè)計(jì)魯棒跟蹤控制器的問題也得到了研究。此外，還有一部分研究人員探索了復(fù)雜外部條件下具有非線性動(dòng)力學(xué)的多智能系統(tǒng)的二階共識(shí)。在此基礎(chǔ)上，還探索了事件觸發(fā)條件下的非線性多智能體編隊(duì)控制?；谏鲜鲅芯?，考慮到外部干擾時(shí)，在非線性多無人機(jī)編隊(duì)中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行變得更具挑戰(zhàn)性。因此，研究非線性與外部干擾之間的耦合仍然是有待進(jìn)一步探索的關(guān)鍵領(lǐng)域。

4、實(shí)際場(chǎng)景中的環(huán)境因素，尤其是天氣條件，會(huì)對(duì)無人機(jī)編隊(duì)構(gòu)成重大挑戰(zhàn)，干擾編隊(duì)飛行的順利進(jìn)行。盡管如此，環(huán)境因素對(duì)多架無人機(jī)的影響尚未得到廣泛研究，傳統(tǒng)上更多關(guān)注的是不確定干擾。雖然有些研究考慮了風(fēng)場(chǎng)環(huán)境中單架無人機(jī)飛行的穩(wěn)定性，但該研究并未涉及多架無人機(jī)的狀態(tài)。因此，研究風(fēng)場(chǎng)環(huán)境和未知擾動(dòng)影響下的多無人機(jī)編隊(duì)具有重要意義。此外，各種環(huán)境因素之間錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用加劇了復(fù)雜性，既影響無人機(jī)的編隊(duì)模型，也影響無人機(jī)的定位精度。這種復(fù)雜的耦合關(guān)系提出了一個(gè)重大的研究挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步關(guān)注。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述背景技術(shù)中提到的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種抗復(fù)合風(fēng)場(chǎng)干擾分布式無人機(jī)編隊(duì)方法及系統(tǒng)。

2、第一方面，本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種抗復(fù)合風(fēng)場(chǎng)干擾分布式無人機(jī)編隊(duì)方法，方法包括以下步驟：

3、獲取復(fù)合風(fēng)速，將復(fù)合風(fēng)速輸入至預(yù)先建立的單架四旋翼無人機(jī)動(dòng)態(tài)模型內(nèi)，基于增強(qiáng)型自適應(yīng)控制方法，輸出得到帶風(fēng)干擾的無人機(jī)模型，其中，所述復(fù)合風(fēng)速包括恒定風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)切變風(fēng)速；

4、基于lur'e非線性估計(jì)方法對(duì)帶風(fēng)干擾的無人機(jī)模型進(jìn)行求解，輸出得到無人機(jī)編隊(duì)估計(jì)干擾結(jié)果，基于無人機(jī)編隊(duì)估計(jì)干擾結(jié)果實(shí)現(xiàn)時(shí)變編隊(duì)控制，其中，所述求解過程中引入非光滑函數(shù)和環(huán)境干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助求解。

5、結(jié)合第一方面，在第一方面的某些實(shí)現(xiàn)方式中，該方法還包括：所述恒定風(fēng)風(fēng)速的計(jì)算：表示風(fēng)向角，將恒定風(fēng)速記為和恒定風(fēng)向角為，恒定風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向表示為；

6、風(fēng)切變風(fēng)速表示為：

7、

8、其中，為最大流出速度，和為相應(yīng)的半徑和高度，改變這三個(gè)參數(shù)的大小，產(chǎn)生不同強(qiáng)度和作用范圍的微小下沉氣流，，x表示實(shí)際半徑距離，表示微小下沉氣流的高度；

9、復(fù)合風(fēng)速。

10、結(jié)合第一方面，在第一方面的某些實(shí)現(xiàn)方式中，該方法還包括：所述預(yù)先建立的單架四旋翼無人機(jī)動(dòng)態(tài)模型的設(shè)定條件：

11、四旋翼無人機(jī)具有剛性和對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在飛行過程中保持不變；四旋翼無人飛行器的中心點(diǎn)與其重心精確對(duì)齊，并在整個(gè)飛行過程中保持不變；四旋翼無人機(jī)運(yùn)行環(huán)境中的重力場(chǎng)和空氣密度保持不變。

12、結(jié)合第一方面，在第一方面的某些實(shí)現(xiàn)方式中，該方法還包括：所述帶風(fēng)干擾的無人機(jī)模型如下：

13、

14、

15、其中，表示無人機(jī)在慣性坐標(biāo)系中的飛行位置信息，表示無人機(jī)在慣性坐標(biāo)系中的非線性速度信息，三軸轉(zhuǎn)速分別為分別為無人機(jī)的偏航角、滾轉(zhuǎn)角和俯仰角，代表風(fēng)場(chǎng)阻力系數(shù)，代表空氣阻力系數(shù)，代表重力，代表風(fēng)場(chǎng)速度，代表無人機(jī)質(zhì)量，分別為四個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，代表單個(gè)電機(jī)的慣性矩，代表殘余速度、代表四旋翼無人機(jī)慣性矩矩陣的元素，代表推力控制量，分別代表滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航的控制變量，代表旋翼的升力系數(shù)，代表旋翼的反扭矩系數(shù)，代表質(zhì)心到旋翼中心的距離。

16、結(jié)合第一方面，在第一方面的某些實(shí)現(xiàn)方式中，該方法還包括：所述帶風(fēng)干擾的無人機(jī)模型先考慮四旋翼非線性無人機(jī)系統(tǒng)在二維平面上的運(yùn)動(dòng)模型，有架無人飛行器，領(lǐng)導(dǎo)者標(biāo)記為，n個(gè)跟隨者標(biāo)記為，根據(jù)以上條件，四旋翼非線性無人機(jī)系統(tǒng)在二維平面上的運(yùn)動(dòng)模型為

17、

18、令，得到如下二階積分形式的公式，其中無人機(jī)控制的輸入表示為，未知非線性部分表示為，得到無人機(jī)二階積分器模型的結(jié)果；

19、設(shè)為第個(gè)的狀態(tài)，，為第個(gè)的控制輸入，非線性部分用表示，然后將無人機(jī)二階積分器模型的結(jié)果轉(zhuǎn)化為非線性系統(tǒng)，如下所示；

20、將非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為如下式子，其中，其他干擾如下，是風(fēng)場(chǎng)中未知干擾的近似小殘差，設(shè)其有界為，其中為未知正常數(shù)，表示無人機(jī)在風(fēng)場(chǎng)中接收到的噪聲，也是均值為零的獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)白噪聲。

21、結(jié)合第一方面，在第一方面的某些實(shí)現(xiàn)方式中，該方法還包括：所述無人機(jī)在風(fēng)場(chǎng)中接收到的噪聲，其中表示風(fēng)速隨時(shí)間的變化，表示噪聲強(qiáng)度是正定對(duì)角矩陣，是一個(gè)均值為零的高斯白噪聲過程，設(shè)定邊界為，其中是未知的正常數(shù)。

22、結(jié)合第一方面，在第一方面的某些實(shí)現(xiàn)方式中，該方法還包括：所述基于lur'e非線性的非線性系統(tǒng)設(shè)計(jì)為，其中

23、

24、

25、通訊圖內(nèi)容：架無人機(jī)之間的通訊網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)無向圖描述，其中。是一個(gè)邊集，是圖的鄰接矩陣。表示第個(gè)和第個(gè)之間的連接。假設(shè)是簡(jiǎn)單的，即對(duì)于。拉普拉斯矩陣定義如下，其中是一個(gè)對(duì)角矩陣，對(duì)角元素，其中，如果在一個(gè)無向圖中的任意兩點(diǎn)之間存在一條路徑，則稱該圖為強(qiáng)連接圖。

26、無人機(jī)的控制協(xié)議設(shè)計(jì)如下

27、

28、其中，代表常量，，，，是反饋增益矩陣，p是正定矩陣，是估計(jì)上限的自適應(yīng)增益，是自適應(yīng)增益向量，代表第個(gè)無人機(jī)的編隊(duì)控制補(bǔ)償向量，且，是第i個(gè)無人機(jī)和第j個(gè)無人機(jī)的期望狀態(tài)，是第i個(gè)無人機(jī)和第j個(gè)無人機(jī)的實(shí)際狀態(tài)，是非光滑函數(shù)。

29、結(jié)合第一方面，在第一方面的某些實(shí)現(xiàn)方式中，該方法還包括：所述非光滑函數(shù)：非光滑函數(shù)由滑模函數(shù)所推導(dǎo)出的，定義為

30、，

31、其中

32、考慮期望編隊(duì)構(gòu)型；

33、設(shè)有一個(gè)給定的正標(biāo)量，并且存在一個(gè)具有設(shè)定的維數(shù)的正定矩陣，存在單位矩陣i，矩陣滿足以下lmi：，則系統(tǒng)穩(wěn)定。

34、結(jié)合第一方面，在第一方面的某些實(shí)現(xiàn)方式中，該方法還包括：所述基于lur'e非線性利用公式實(shí)現(xiàn)非線性的控制，其中是一個(gè)給定的對(duì)稱正定矩陣。

35、第二方面，為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明公開了一種抗復(fù)合風(fēng)場(chǎng)干擾分布式無人機(jī)編隊(duì)系統(tǒng)，包括：

36、模型處理模塊，用于獲取復(fù)合風(fēng)速，將復(fù)合風(fēng)速輸入至預(yù)先建立的單架四旋翼無人機(jī)動(dòng)態(tài)模型內(nèi)，基于增強(qiáng)型自適應(yīng)控制方法，輸出得到帶風(fēng)干擾的無人機(jī)模型，其中，所述復(fù)合風(fēng)速包括恒定風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)切變風(fēng)速；

37、無人機(jī)編隊(duì)模塊，用于基于lur'e非線性估計(jì)方法對(duì)帶風(fēng)干擾的無人機(jī)模型進(jìn)行求解，輸出得到無人機(jī)編隊(duì)估計(jì)干擾結(jié)果，基于無人機(jī)編隊(duì)估計(jì)干擾結(jié)果實(shí)現(xiàn)時(shí)變編隊(duì)控制，其中，所述求解過程中引入非光滑函數(shù)和環(huán)境干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助求解。

38、本發(fā)明的有益效果：

39、本發(fā)明為在復(fù)合風(fēng)環(huán)境中工作的四旋翼無人機(jī)量身定制控制系統(tǒng)模型。該模型結(jié)合了lur'e非線性，考慮了內(nèi)部和外部非線性干擾效應(yīng)，超越了現(xiàn)有的無人機(jī)模型，從而增強(qiáng)了適應(yīng)性和魯棒性；引入了一種利用非光滑函數(shù)進(jìn)行無人機(jī)編隊(duì)控制的新方法，與基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法相比，該方法對(duì)風(fēng)場(chǎng)干擾的估計(jì)更準(zhǔn)確、更自適應(yīng)。我們的方法旨在更好地符合干擾的本質(zhì)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)風(fēng)速對(duì)風(fēng)場(chǎng)噪聲的影響，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的干擾估計(jì)；針對(duì)風(fēng)力與風(fēng)噪之間復(fù)雜的耦合難題，我們的研究提出了一種增強(qiáng)型自適應(yīng)控制方法，用于有效控制風(fēng)場(chǎng)干擾下的無人機(jī)編隊(duì)。通過在控制協(xié)議中加入控制參數(shù)和參數(shù)矩陣，我們?cè)鰪?qiáng)了控制系統(tǒng)的魯棒性和抵御外部干擾的能力，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的精確跟蹤控制。