無人機(jī)領(lǐng)航—跟隨編隊(duì)控制方法研究

孫浩樓 張朋

摘要：隨著自動(dòng)化技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，使得多智能體的研究成為研究的熱點(diǎn)，其中多個(gè)無人機(jī)所組成的集群系統(tǒng)通過協(xié)同控制可以完成單架無人機(jī)所不能完成的任務(wù)而成為近年來研究的熱點(diǎn)。該文主要研究了多智能體編隊(duì)飛行控制方式中的領(lǐng)航——跟隨編隊(duì)控制算法，并仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。從仿真結(jié)果可以看出，編隊(duì)控制器可以使無人機(jī)在有限的時(shí)間內(nèi)收斂，證明了所設(shè)計(jì)的編隊(duì)控制器的可靠性。

關(guān)鍵詞：四旋翼無人機(jī)；編隊(duì)飛行；領(lǐng)航——跟隨；Lyapunov函數(shù)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-5039（2018）17-0256-03

Abstract： With the development of automation technology and wireless communication technology， the research of multi-agent becomes a hot research area. Among them， the cluster system composed of many UAVs can accomplish the unmanned aerial vehicle The task has become a hot spot in recent years. In this paper， we mainly study the pilot-following formation control algorithm in multi-agent formation flight control and verify the effectiveness of the method. From the simulation results， it can be seen that the formation controller can make the UAV converge for a limited time， which proves the reliability of the designed formation controller.

Key words： Quadrotor UAV； formation flight； pilot-following； Lyapunov function

1 引言

近年來，隨著人們對(duì)于任務(wù)需求的日益提升，單一的無人機(jī)已經(jīng)無法滿足人們的日益需求，因此多無人機(jī)的編隊(duì)開始備受人們關(guān)注。在日常生活中，人們經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)動(dòng)物的編隊(duì)行為，例如魚群的洄游和大雁的遷徙。通過編隊(duì)行為，可以很好地避免單個(gè)個(gè)體受到攻擊的可能性，同時(shí)，也會(huì)降低運(yùn)動(dòng)過程的阻力。由于單個(gè)個(gè)體在編隊(duì)中存在原來沒有的優(yōu)勢，因此，許多學(xué)者都以自然界中的動(dòng)物編隊(duì)行為為基礎(chǔ)，對(duì)多無人機(jī)的編隊(duì)及編隊(duì)控制算法進(jìn)行了研究。而在多智能體的編隊(duì)方式中，領(lǐng)航——跟隨方式是編隊(duì)算法中一種最為常用的編隊(duì)算法，在領(lǐng)航——跟隨編隊(duì)控制算法中，只需要讓跟隨無人機(jī)與領(lǐng)航無人機(jī)保持期望的規(guī)律運(yùn)動(dòng)即可。

2 問題描述

為了能夠滿足領(lǐng)航——跟隨飛行的編隊(duì)需求，需要設(shè)計(jì)一個(gè)編隊(duì)控制法則，它的主要作用是使Leader與Follower之間保持一個(gè)理想的距離。接下來定義慣性坐標(biāo)系[j]，Leader的機(jī)體坐標(biāo)系為[L]，最后定義Follower的機(jī)體坐標(biāo)系為[F]，它們之間的關(guān)系圖1所示。

引入飽和函數(shù)的主要原因是無人機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)非線性欠驅(qū)動(dòng)的高耦合系統(tǒng)，通過飽和函數(shù)的閥值作用增強(qiáng)對(duì)外界擾動(dòng)的抵抗能力，以減輕外界變化對(duì)與無人機(jī)的影響。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，在無人機(jī)輸入端都存在著大量的飽和函數(shù)來限制著無人機(jī)的輸出力矩，從而來增強(qiáng)無人機(jī)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。因此，接下來采用飽和函數(shù)的設(shè)計(jì)思想來完善控制器的設(shè)計(jì)，其主要設(shè)計(jì)思路如下：

6 結(jié)論

通過上述的仿真圖可以看出，編隊(duì)控制器可以使無人機(jī)在有限的時(shí)間內(nèi)收斂，因此可以知道無人機(jī)可以保持期望的隊(duì)形飛行，證明了所設(shè)計(jì)的編隊(duì)控制器的可靠性。

在多智能體的編隊(duì)方式中，領(lǐng)航——跟隨方式是編隊(duì)算法中一種最為常用的編隊(duì)算法，因此本文研究了領(lǐng)航——跟隨編隊(duì)控制算法的有效性，從仿真結(jié)果可以看出該方法可以有效地實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行，同時(shí)也驗(yàn)證了文中設(shè)計(jì)的編隊(duì)控制器的可靠性。

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