一种无人机有限时间编队集群协同决策与控制方法

本公开实施例涉及无人机控制，尤其涉及一种无人机有限时间编队集群协同决策与控制方法。

背景技术：

1、随着科学技术的发展，无人机得到了越来越广泛的使用。在很多的无人机使用场景下，都需要多个无人机组成编队共同完成某项任务，怎样实现稳定且快速的无人机自主编队飞行控制十分重要。在无人机编队任务中，如何维持队形，如何提高容错性，都是需要考虑的问题。

2、这种无人机集群控制可大体分为两类：集中式控制与分布式控制。集中式控制通过一台主控电脑同时对所有无人机进行连接操控来实现编队飞行，然而，该方法对通讯要求高，且容易由主机故障导致整个无人机网络系统失控。分布式控制容错性更好，但是不利于准确维持队形。

技术实现思路

1、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种无人机有限时间编队集群协同决策与控制方法，用以解决现有技术中存在集中式控制对通讯要求高，且容易由主机故障导致整个无人机网络系统失控；分布式控制不利于准确维持队形的问题。

2、根据本公开实施例，提供一种无人机有限时间编队集群协同决策与控制方法，该方法包括：

3、根据无人机的状态量组，进行数学建模，以构建运动学模型；

4、设定无人机集群的通讯连接方式和期望队形；

5、获取任务指令，并根据任务指令和无人机集群的期望队形设定无人机集群的整体期望路径；

6、根据运动学模型、无人机集群的通讯连接方式、期望队形和整体期望路径设计各个无人机的代价函数，以确定无人机集群的群体目标和无人机的独立目标；

7、利用纳什均衡决策原理设计能够使代价函数最小化的控制器；

8、控制器计算得到第一控制量和第二控制量，控制器根据第一控制量和第二控制量控制各个无人机，以使无人机集群形成期望队形，且无人机集群的整体实际路径收敛到整体期望路径。

9、进一步的，运动学模型的表达式为：

10、（1）

11、式中，为第 i个无人机中心的横坐标，为的一阶导数，为第 i个无人机中心的横坐标，为的一阶导数，为第 i个无人机的航向角，为的一阶导数，为第 i个无人机的航向角角速度，为的一阶导数，为第 i个无人机的速度，为的一阶导数，为第 i个无人机的第一控制信号，为第 i个无人机的第二控制信号；其中，

12、

13、则：

14、

15、

16、式中，为第 i个无人机头部的横坐标，为的一阶导数，为第 i个无人机头部的纵坐标，为的一阶导数， li为第 i个无人机的中心与头部的距离，为第 i个无人机的头部横向速度，为的一阶导数，为第 i个无人机的头部纵向速度，为的一阶导数，表示对第 i个无人机的头部横向速度与第 i个无人机头部的横坐标造成影响，表示对第 i个无人机的头部纵向速度与第 i个无人机头部的纵坐标造成影响。

17、进一步的，设定无人机集群的通讯连接方式和期望队形的步骤中，包括：

18、利用有向图表示无人机集群中各个无人机之间的通讯连接方式；

19、设定为第个和第个无人机头部之间的位置偏差，以表示无人机集群的期望队形。

20、进一步的，获取任务指令，并根据任务指令和无人机集群的期望队形设定无人机集群的整体期望路径的步骤中，包括：

21、根据任务指令和无人机集群的期望队形确定无人机集群的整体期望路径，设定为无人机集群的整体期望路径；其中，

22、（2）

23、式中，为整体期望路径在 t时刻的横坐标，为整体期望路径在 t时刻的纵坐标。

24、进一步的，获取任务指令，并根据任务指令和无人机集群的期望队形设定无人机集群的整体期望路径的步骤中，还包括：

25、根据无人机集群的整体期望路径与各个无人机头部的坐标，确定各个无人机的个体期望路径。

26、进一步的，代价函数的表达式为：

27、（3）

28、式中，为第个无人机的头部的位置，为第个无人机的头部的速度，为第个无人机的头部的速度，为第个无人机的头部的坐标与无人机集群的整体期望路径之间的位置偏差，为第个无人机是否有独立目标的标志参数；

29、其中，表示无人机集群的群体目标，表示第个无人机的独立目标，当第个无人机有独立目标时，为1；当第个无人机无独立目标时，为0。

30、进一步的，第 i个无人机的第一控制量和第二控制量的表达式为分别：

31、（4）

32、（5）

33、其中，

34、

35、

36、

37、

38、式中，为符号函数， l1为横向最大控制量， l2为纵向最大控制量，为第一待定参数，为第二待定参数， k为待定增益，且，，为第 i个无人机的第一初始控制量，为第 i个无人机的第二初始控制量，为中间参数，为的一阶导数，为的一阶导数。

39、本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

40、本公开的实施例中，通过上述无人机有限时间编队集群协同决策与控制方法，一方面，采用了分布式的控制方法，避免了出现主机故障时所有无人机失控的情况。且各个无人机之间相互连接形成网络而不是主机分别与所有无人机连接，因此降低了对通信条件的要求。另一方面，采用了基于非合作博弈的控制方法，基于此控制方法，无人机总会朝跟随总体期望路径且代价函数梯度下降的方向移动，即使其因为意外偏离轨道，也会迅速重新回到纳什均衡处。若无人机因故障离线，其他无人机也会形成新的平衡，故该方法有较高的稳定性。

技术特征：

1.一种无人机有限时间编队集群协同决策与控制方法，其特征在于，该方法包括：

2.根据权利要求1所述无人机有限时间编队集群协同决策与控制方法，其特征在于，运动学模型的表达式为：

3.根据权利要求2所述无人机有限时间编队集群协同决策与控制方法，其特征在于，设定无人机集群的通讯连接方式和期望队形的步骤中，包括：

4.根据权利要求3所述无人机有限时间编队集群协同决策与控制方法，其特征在于，获取任务指令，并根据任务指令和无人机集群的期望队形设定无人机集群的整体期望路径的步骤中，包括：

5.根据权利要求4所述无人机有限时间编队集群协同决策与控制方法，其特征在于，获取任务指令，并根据任务指令和无人机集群的期望队形设定无人机集群的整体期望路径的步骤中，还包括：

6.根据权利要求5所述无人机有限时间编队集群协同决策与控制方法，其特征在于，代价函数的表达式为：

7.根据权利要求6所述无人机有限时间编队集群协同决策与控制方法，其特征在于，第i个无人机的第一控制量和第二控制量的表达式为分别：

技术总结本申请属于无人机控制技术领域。本申请提供一种无人机有限时间编队集群协同决策与控制方法。本公开实施例采用了分布式的控制方法，避免了出现主机故障时所有无人机失控的情况。且各个无人机之间相互连接形成网络而不是主机分别与所有无人机连接，因此降低了对通信条件的要求。采用了基于非合作博弈的控制方法，基于此控制方法，无人机总会朝跟随总体期望路径且代价函数梯度下降的方向移动，即使其因为意外偏离轨道，也会迅速重新回到纳什均衡处。若无人机因故障离线，其他无人机也会形成新的平衡，故该方法有较高的稳定性。技术研发人员：符文星,矫永康,韩啸,沈如松,邹金和,张艺扬,余兰林,都海波,万磊受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23