一种基于自适应反馈的多无人机协同控制方法

本发明涉及多无人机编队的速度协调控制领域，具体而言，涉及一种基于自适应反馈的多无人机协同控制方法。

背景技术：

1、随着无人机工业的不断发展，其在农业植保、森林火情监测、搜索与营救以及边界巡逻等领域得到越来越广泛的应用。与有人驾驶飞机相比，无人机具有成本低、适应能力强、生存能力强以及使用灵活的特点。而基于无人机技术成熟后发展起来的无人机编队，则可以完成更为复杂的任务。通过多无人机间协作，多无人机在森林火情监测、电网巡线、搜索与营救等应用方面展示了比单架无人机更高的任务执行效率，同时其在军用领域也得到了广泛的应用。而多无人机编队飞行中的首要技术就是保持无人机编队飞行，避免无人机之间的碰撞，又要防止无人机脱队而导致队形散乱。因此对多无人机之间的速度控制、位置控制是多无人机协同控制的首要任务。由于编队飞行的需要，无人机之间的距离既需要保持一定的距离避免碰撞，又不能相互之间脱离太远而导致队形变形；而且由于无人机之间通信的滞后问题、控制的延迟问题、控制的精度问题，使得无人机之间的速度、位置控制也是编队协同控制的难点问题。基于上述背景原因，本发明提出了一种采用主机、从机、僚机三层结构的便于扩展的无人机编队形式，通过速度位置误差信息的自适应反馈，实现编队的安全高品质飞行，具有很高的工程实用价值。

2、需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于自适应反馈的多无人机协同控制方法，进而克服了由于相关技术限制而导致的无人机编队速度与位置控制精度不高以及存在碰撞与脱队的问题。

2、根据本发明的一个方面，提供一种基于自适应反馈的多无人机协同控制方法，包括以下五个步骤：

3、步骤s10，在领机上安装惯性导航设备，测量领机速度信号与领机飞行位置信号与领机俯仰角速度信号；并在领机上安装通信设备，将领机速度信号与领机飞行位置信号发送给僚机；将然后根据飞行任务，设置领机期望速度信号；再根据领机速度信号与期望速度信号进行比较作差，得到领机速度误差信号；再针对领机速度误差信号进行大时滞滤波，得到领机速度大时滞滤波信号；再与领机速度误差信号比较得到领机速度误差速率近似信号；然后再叠加领机速度误差信号，得到领机油门杆输入量信号。

4、步骤s20，在僚机上安装惯性导航设备，测量僚机速度信号与僚机飞行位置信号与僚机俯仰角速度信号；同时在僚机上安装通信设备，接收领机速度信号与领机飞行位置信号；并将僚机速度信号与僚机飞行位置信号发送给两个从机；根据僚机速度信号与领机速度信号进行对比，得到僚机速度误差信号；并将僚机飞行位置信号与领机飞行位置信号进行对比，得到僚机位置误差信号，再进行避障与防脱队处理，得到僚机位置误差非线性信号；再根据僚机速度误差信号通过大时滞滤波器，得到僚机速度大时滞滤波信号；再与僚机速度误差信号比较得到僚机速度误差速率近似信号。

5、步骤s30，根据所述的僚机速度误差信号与僚机位置误差非线性信号，设计僚机非线性位置误差自适应反馈速率信号；然后进行自适应迭代运算，得到僚机非线性位置误差自适应反馈信号；再根据所述的僚机速度误差信号与僚机位置误差信号，设计僚机位置误差自适应反馈速率信号；然后进行自适应迭代运算，得到僚机位置误差自适应反馈信号；将僚机位置误差自适应反馈信号与僚机非线性位置误差自适应反馈信号与相应的误差信号相乘，得到僚机位置自适应反馈总信号；再叠加所述的僚机速度误差信号、僚机速度大时滞滤波信号、僚机速度误差速率近似信号与僚机俯仰角速度信号，得到最终的僚机油门杆输入量信号。

6、步骤s40，在两个从机上安装惯性导航设备，分别测量一号从机与二号从机的速度信号、飞行位置信号、俯仰角速度信号；同时在两个从机上安装通信设备，接收僚机速度信号与僚机飞行位置信号；然后分别根据一号从机与二号从机的速度信号、飞行位置信号与僚机速度信号、僚机飞行位置信号进行对比，得到一号从机速度误差信号、一号从机位置误差信号、二号从机速度误差信号、二号从机位置误差信号；再根据一号从机位置误差信号、二号从机位置误差信号进行避障与防脱队处理，得到一号从机位置误差非线性信号、二号从机位置误差非线性信号；再将一号从机速度误差信号与二号从机速度误差信号通过大时滞滤波器，得到一号从机速度大时滞滤波信号、一号从机速度大时滞滤波信号；再分别与相应的从机速度误差信号对比得到一号从机速度误差速率近似信号、二号从机速度误差速率近似信号。

7、步骤s50，根据所述的一号从机速度误差信号与一号从机位置误差非线性信号，设计一号从机非线性位置误差自适应反馈速率信号；然后进行自适应迭代运算，得到一号从机非线性位置误差自适应反馈信号；再根据所述的一号从机速度误差信号与一号从机位置误差信号，设计一号从机位置误差自适应反馈速率信号；然后进行自适应迭代运算，得到一号从机位置误差自适应反馈信号；将一号从机位置误差自适应反馈信号与一号从机非线性位置误差自适应反馈信号与相应的误差信号相乘，得到一号从机位置自适应反馈总信号；再叠加所述的一号从机速度误差信号、一号从机速度大时滞滤波信号、一号从机速度误差速率近似信号与一号从机俯仰角速度信号，得到最终的一号从机油门杆输入量信号。

8、步骤s60，根据所述的二号从机速度误差信号与二号从机位置误差非线性信号，设计二号从机非线性位置误差自适应反馈速率信号；然后进行自适应迭代运算，得到二号从机非线性位置误差自适应反馈信号；再根据所述的二号从机速度误差信号与二号从机位置误差信号，设计二号从机位置误差自适应反馈速率信号；然后进行自适应迭代运算，得到二号从机位置误差自适应反馈信号；将二号从机位置误差自适应反馈信号与二号从机非线性位置误差自适应反馈信号与相应的误差信号相乘，得到二号从机位置自适应反馈总信号；再叠加所述的二号从机速度误差信号、二号从机速度大时滞滤波信号、二号从机速度误差速率近似信号与二号从机俯仰角速度信号，得到最终的二号从机油门杆输入量信号。

9、根据上述主机、僚机与两个从机的油门杆输入量信号，实现主、僚、从四架飞机的编队飞行，保证编队之间的位置具有足够的空间，避免碰撞，同时编队飞机速度趋于一致，也避免了队形散乱以及掉队现象。其中僚机接收主机的信息；而从机则接收僚机信息；采用上述方法僚机可以扩展到多个僚机，从机也可扩展到多个从机，从而可以轻松扩展而实现大编队飞行的速度位置控制任务。

10、在本发明的一种示例实施例中，根据领机速度信号与期望速度信号进行比较作差，得到领机速度误差信号；再针对领机速度误差信号进行大时滞滤波，得到领机速度大时滞滤波信号；再与领机速度误差信号比较得到领机速度误差速率近似信号；然后再叠加领机速度误差信号，得到领机油门杆输入量信号包括：

11、

12、

13、

14、δt1＝k11e1+k12s1+k13d1+k14q1；

15、其中e1为领机速度误差信号；v1为领机速度信号；为领机期望速度信号；s1为领机速度大时滞滤波信号；t1为大时滞滤波器的时间常数；s为大时滞滤波器的传递函数的微分算子；d1为领机速度误差信号比较得到领机速度误差速率近似信号；δt1为领机油门杆输入量信号；q1为领机俯仰角速度信号；k11、k12、k13、k14为常值控制参数。

16、在本发明的一种示例实施例中，根据僚机速度信号与领机速度信号进行对比，得到僚机速度误差信号；并将僚机飞行位置信号与领机飞行位置信号进行对比，得到僚机位置误差信号，再进行避障与防脱队处理，得到僚机位置误差非线性信号；再根据僚机速度误差信号通过大时滞滤波器，得到僚机速度大时滞滤波信号；再与僚机速度误差信号比较得到僚机速度误差速率近似信号包括：

17、e2＝v2-v1；

18、ex2＝x2-x1；

19、

20、

21、

22、其中v2为僚机速度信号，x2为僚机飞行位置信号，q2为僚机俯仰角速度信号；e2为僚机速度误差信号；x1为领机飞行位置信号，ex2为僚机位置误差信号，ex2f为僚机位置误差非线性信号；s2为僚机速度大时滞滤波信号；d2为僚机速度误差速率近似信号，da1、da2为常值参数，用于避障与防脱队控制。

23、在本发明的一种示例实施例中，根据所述的僚机速度误差信号与僚机位置误差非线性信号，设计僚机非线性位置误差自适应反馈速率信号；然后进行自适应迭代运算，得到僚机非线性位置误差自适应反馈信号；再根据所述的僚机速度误差信号与僚机位置误差信号，设计僚机位置误差自适应反馈速率信号；然后进行自适应迭代运算，得到僚机位置误差自适应反馈信号；将僚机位置误差自适应反馈信号与僚机非线性位置误差自适应反馈信号与相应的误差信号相乘，得到僚机位置自适应反馈总信号；再叠加所述的僚机速度误差信号、僚机速度大时滞滤波信号、僚机速度误差速率近似信号与僚机俯仰角速度信号，得到最终的僚机油门杆输入量信号包括：

24、

25、c21(n+1)＝c21(n)+c21dt；

26、

27、c22(n+1)＝c22(n)+c22dt；

28、

29、δt2＝k21e2+k22s2+k23d2+k24q2+δ2a；

30、其中c21d为僚机非线性位置误差自适应反馈速率信号；l21、l21a为常值参数，用于调节自适应反馈的速度；c21为僚机非线性位置误差自适应反馈信号；t为常值积分参数；c22d为僚机位置误差自适应反馈速率信号；l22、l22a为常值参数，用于调节自适应反馈的速度；c22为僚机位置误差自适应反馈信号；δ2a为僚机位置自适应反馈总信号；δt2为僚机油门杆输入量信号；k21、k22、k23、k24为常值控制参数。

31、在本发明的一种示例实施例中，根据一号从机与二号从机的速度信号、飞行位置信号与僚机速度信号、僚机飞行位置信号进行对比，得到一号从机速度误差信号、一号从机位置误差信号、二号从机速度误差信号、二号从机位置误差信号；再根据一号从机位置误差信号、二号从机位置误差信号进行避障与防脱队处理，得到一号从机位置误差非线性信号、二号从机位置误差非线性信号；再将一号从机速度误差信号与二号从机速度误差信号通过大时滞滤波器，得到一号从机速度大时滞滤波信号、一号从机速度大时滞滤波信号；再分别与相应的从机速度误差信号对比得到一号从机速度误差速率近似信号、二号从机速度误差速率近似信号包括：

32、e3＝v3-v2；

33、ex3＝x3-x2；

34、e4＝v4-v2；

35、ex4＝x4-x2；

36、

37、

38、

39、

40、

41、

42、其中v3为一号从机的速度信号、v4为二号从机的速度信号；x3为一号从机的飞行位置信号、x4为一号从机的飞行位置信号；q3为一号从机的俯仰角速度信号；q4为二号从机的俯仰角速度信号；e3为一号从机速度误差信号、ex3为一号从机位置误差信号、e4为二号从机速度误差信号、ex4为二号从机位置误差信号；ex3f为一号从机位置误差非线性信号、ex4f为二号从机位置误差非线性信号；s3为一号从机速度大时滞滤波信号、s4为二号从机速度大时滞滤波信号；d3为一号从机速度误差速率近似信号、d4为二号从机速度误差速率近似信号。

43、在本发明的一种示例实施例中，根据所述的一号从机速度误差信号与一号从机位置误差非线性信号，设计一号从机非线性位置误差自适应反馈速率信号；然后进行自适应迭代运算，得到一号从机非线性位置误差自适应反馈信号；再根据所述的一号从机速度误差信号与一号从机位置误差信号，设计一号从机位置误差自适应反馈速率信号；然后进行自适应迭代运算，得到一号从机位置误差自适应反馈信号；将一号从机位置误差自适应反馈信号与一号从机非线性位置误差自适应反馈信号与相应的误差信号相乘，得到一号从机位置自适应反馈总信号；再叠加所述的一号从机速度误差信号、一号从机速度大时滞滤波信号、一号从机速度误差速率近似信号与一号从机俯仰角速度信号，得到最终的一号从机油门杆输入量信号包括：

44、

45、c31(n+1)＝c31(n)+c31dt；

46、

47、c32(n+1)＝c32(n)+c32dt；

48、

49、δt3＝k31e3+k32s3+k33d3+k34q3+δ3a；

50、其中c31d为一号从机非线性位置误差自适应反馈速率信号；l31、l31a为常值参数，用于调节自适应反馈的速度；c31为一号从机非线性位置误差自适应反馈信号；c32d为一号从机位置误差自适应反馈速率信号；l32、l32a为常值参数，用于调节自适应反馈的速度；c32为一号从机位置误差自适应反馈信号；δ3a为一号从机位置自适应反馈总信号；δt3为一号从机油门杆输入量信号；k31、k32、k33、k34为常值控制参数。

51、在本发明的一种示例实施例中，根据所述的二号从机速度误差信号与二号从机位置误差非线性信号，设计二号从机非线性位置误差自适应反馈速率信号；然后进行自适应迭代运算，得到二号从机非线性位置误差自适应反馈信号；再根据所述的二号从机速度误差信号与二号从机位置误差信号，设计二号从机位置误差自适应反馈速率信号；然后进行自适应迭代运算，得到二号从机位置误差自适应反馈信号；将二号从机位置误差自适应反馈信号与二号从机非线性位置误差自适应反馈信号与相应的误差信号相乘，得到二号从机位置自适应反馈总信号；再叠加所述的二号从机速度误差信号、二号从机速度大时滞滤波信号、二号从机速度误差速率近似信号与二号从机俯仰角速度信号，得到最终的二号从机油门杆输入量信号包括：

52、

53、c41(n+1)＝c41(n)+c41dt；

54、

55、c42(n+1)＝c42(n)+c42dt；

56、

57、δt4＝k41e4+k42s4+k43d4+k44q4+δ4a；

58、其中c41d为二号从机非线性位置误差自适应反馈速率信号；l41、l41a为常值参数，用于调节自适应反馈的速度；c41为二号从机非线性位置误差自适应反馈信号；c42d为二号从机位置误差自适应反馈速率信号；l42、l42a为常值参数，用于调节自适应反馈的速度；c42为二号从机位置误差自适应反馈信号；δ4a为二号从机位置自适应反馈总信号；δt4为二号从机油门杆输入量信号；k41、k42、k43、k44为常值控制参数。

59、有益效果

60、本发明提供了一种基于自适应反馈的多无人机协同控制方法，其主要创新点有如下五点。第一提出了一种采用主机僚机通信、僚机从机通信，便于大编队扩展的无人机编队飞行控制模式。第二是提出了采用大时滞滤波器，通过速度误差信号得到速度大时滞滤波信号、速度误差速率近似信号的简单方法，实现无人机的稳定控制。第三是提出了通过对位置误差信号、速度误差信号以及位置误差非线性信号的自适应反馈积分得到位置自适应反馈总信号，实现了编队飞行过程中不确定扰动的消除，提高了编队飞行的性能。第四是提出了一种简便的误差非线性处理方法，能够结合自适应方法实现无人机之间的防碰撞以及防脱队功能，从而提高了编队飞行的动态品质。第五是提出了一种统一的主机、僚机、从机的统一的速度反馈加位置自适应反馈的无人机编队控制方法，使得所有无人机具有统一的控制模式，便于扩展，同时既能满足单个无人机的飞行稳定性要求，又能满足无人机编队的位置速度控制要求。

61、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。