无人机集群分组编队控制跟踪一体化设计

针对具有Lipschitz非线性动力学特性的无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)集群系统的分组编队跟踪控制问题,提出了一种基于一致性理论的分组编队协同控制方法。首先,建立分层双虚拟结构的协同控制框架,将多编队生成、保持以及组内组间协同变换等复杂编队任务作为控制目标,基于参数组的队形描述方法,在分层控制框架内分别设置轨迹导引UAV和基准UAV,并利用UAV之间的局部运动信息设计编队控制律,克服了采用现有多编队控制策略编队间难以协同的缺陷;其次,设计多编队控制和目标跟踪一体化控制策略,确保在多编队进行协同变换的同时实现对机动目标的精确协同跟踪;最后,仿真结果验证了所提的控制算法能够实现分组编队的跟踪控制。     

基于虚拟子目标联合边界力的编队避障算法

针对复杂环境条件下无人机（unmanned aerial vehicle,UAV）集群编队系统中领航-跟随集群的编队控制和人工势场法中的避障问题，提出了一种基于虚拟子目标联合边界力（joint virtual sub-target and boundary force, JVBF）的无人机集群编队避障算法。采用基于虚拟子目标的领航-跟随法并优化修正力函数来实现无人机集群的队形控制，以达到帮助跟随无人机快速恢复队形的目的；采用基于边界力的人工势场法负责局部路径规划，解决无人机目标不可达和狭窄通道内振荡的缺点。仿真结果表明，所提算法相较于传统算法具有更高的编队队形一致性和时间效率。     

固定翼无人机编队构型与通信拓扑优化

本文研究了考虑攻防对抗态势与最小信息流要求的固定翼无人机(unmanned aerial vehicles, UAVs)编队构型与通信拓扑优化问题。建立了编队构型指标体系, 给出了大规模集群分层编队构型设计模型和编解码方法, 提出了基于态势场的队形模型, 采用粒子群算法开展了队形参数优化。建立了通信网络拓扑效能指标体系, 提出了通信代价模型, 给出了基于Q学习的网络连通性控制算法。仿真算例验证了所提方法的有效性。     

基于一致性协议的多无人机协同围捕控制方法

针对无人机对运动目标的协同围捕问题, 设计了一种快速协同围捕控制算法。首先, 基于人工势场法设计了无人机与目标的动态博弈关系, 使得目标的运动更加趋近于现实场景下逃跑者的行为模式。其次, 利用无人机与目标的速度关系, 将二维阿波罗尼奥斯圆扩展为三维阿波罗尼奥斯球, 通过阿波罗尼奥斯球设计了无人机编队围捕队形。然后, 将无人机获取的目标信息引入到一致性协议, 以此来完成无人机编队对目标的协同编队围捕, 并引入二跳网络加快围捕队形收敛, 提高了无人机编队的任务执行效率。最终, 通过仿真实验证明了该控制算法的有效性。     

具有性能预设的多机编队目标跟踪控制

针对无人机编队目标跟踪中性能不可控的问题, 提出了一种具有性能预设的分布式多机编队目标跟踪控制方法。首先提出一种基于运动参数组的编队队形描述与目标跟踪方法, 实现了编队的相位预设与队形控制; 其次利用误差变换方法将有性能约束的误差问题转换为无约束误差控制问题, 并给出了一致性预设性能控制律; 然后分别设计了指数型和预设时间型性能函数, 实现了同一控制律下对不同性能的控制, 保证了编队目标跟踪过程中的收敛时间以及瞬态和稳态性能。最后,仿真证实了无人机编队能够在预期设定的性能范围内实现编队队形控制, 并成功跟踪目标。     

基于虚拟结构的卫星编队机动控制

针对某些航天任务在小卫星机动过程中需要保持编队构型,提出了利用虚拟结构解决三星编队机动控制问题。建立了虚拟结构坐标系,在机动过程中,三颗卫星视为一个虚拟刚体,保持编队构型。设计了虚拟结构的动力学和运动学控制器。动力学控制器包含编队队形反馈,实现对编队速度的控制。针对外加干扰,设计了姿态变结构控制器,利用李雅普诺夫方法证明了系统的稳定性。对三星编队机动进行仿真,实现了编队构型的保持,验证了方法的有效性。     

战场环境下多无人机时敏任务动态分配算法

时敏目标呈现的持续时间和出现空间不稳定等特点加大了无人机编队任务分配难度,将影响无人机编队的任务执行效果。针对该问题,在Leader-Follower编队结构下提出一种多无人机时敏任务动态分配算法,实现战场环境下多架无人机对多个时敏目标的打击。该算法在时敏目标时间窗口约束下,通过综合评估目标威胁代价、距离代价、任务执行时间、毁伤能力和打击收益完成编队任务动态分配,保证了无人机编队打击多个时敏目标的效能最大化。仿真结果证明了该算法的有效性。     

基于图Laplacian的多机编队目标跟踪方法

针对多无人机目标跟踪问题中存在的相位协同时间长和跟踪目标速度受限问题, 基于图Laplacian方法提出一种分布式多机编队目标跟踪算法。首先, 将无人机编队队形控制问题转换为基于旋转、缩放和平移的运动参数组设计问题, 并通过设计编队控制律, 实现动态编队队形的精准生成与变换。其次, 将此编队队形控制方法应用到目标跟踪问题上, 通过分析不同目标速度下的跟踪情况建立相应的跟踪模型, 实现无人机编队对目标进行快速协同跟踪, 并克服跟踪目标速度限制问题。最后, 仿真结果验证了所提方法的有效性和优势。     

基于数字信息素的无人机集群搜索控制方法

研究了无人机集群搜索问题的由来、概念、特点,反应行为机制的重要性以及信息素的应用价值。模拟两种基本的生物信息素,设计了一种基于数字信息素的无人机集群搜索控制方法。从全局决策和单机决策的角度,建立了基于数字信息素的无人机集群搜索分布式决策方法。抽象出所建立的数字信息素模型的主要特征,研究分析了具备此类特征的集群搜索系统的稳定性,并确定了集群边界。仿真结果表明,该方法能够形成稳定的数字信息素闭环,能够和所设计的飞行决策方法结合,使多机呈现出鲜明的集群行为特征,实现无人机集群搜索控制;仿真同时表明,该方法驱动的无人机集群搜索的效率显著优于常规编队模式,这也从侧面证明了无人机集群的搜索能力远高于无人机编队。     

基于MRPs的卫星集群系统姿态对抗一致性控制

小型卫星集群协同控制是当前空间技术发展的热点之一, 卫星集群控制可归结为多智能体控制问题。面向卫星集群系统的分组姿态控制, 引入一致性以及对抗一致性问题, 提出了卫星系统姿态对抗一致性控制方法。卫星组网系统姿态对抗一致性控制目标是使卫星分组达到姿态对称的状态。以无向图描述姿态对抗卫星集群的通讯拓扑结构, 利用修正型罗德里格斯参数方法描述卫星刚体运动姿态, 设计了一种基于多智能体协同控制理论的三维空间卫星集群姿态对抗一致性控制律, 并采用Lyapunov稳定性理论证明了其稳定性。最后, 通过仿真实验验证了所提方法的有效性。     

基于规则的无人机集群飞行与规避协同控制

针对已有方法在大规模集群系统控制方面的不足,提出一种基于规则的无人机集群系统飞行与规避自主协同控制方法。受群智能思想启发,定义集群内无人机成员的基本飞行规则,实现无人机集群正常飞行和队形重构,在此基础上,将规避动作作为一种新的飞行规则,通过设置相应的规则权重系数,建立整体和成员两种规避控制机制,最后基于线性反馈控制理论证明了无人机集群系统的稳定性。仿真结果表明,所提方法能够控制集群正常飞行并有效处理规避问题,同时具有良好的实时性。     

无人机集群规避动态障碍物的分布式队形控制

本文研究了无人机集群躲避动态障碍物下的队形控制问题。首先, 引入针对动态障碍物的碰撞预判机制判断集群是否需要对障碍物进行规避。其次, 在动态障碍物与无人机间构造斥力场实现避障。最后, 根据一致性理论设计基于集群各无人机之间、无人机与虚拟领导者之间的位置、速度一致性控制律, 结合人工势场法实现躲避动态障碍物下集群队形的形成与保持。仿真结果表明, 集群无人机能够在以分布式方式躲避动态障碍物的同时实现队形的形成、保持与重构。     

无人机集群牵制控制系统特征值分析

本文研究施加牵制控制对无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)集群蜂拥控制一致性的影响.首先基于复杂网络和图论建立了UAV集群的二阶动力学模型;其次设计了分布式控制协议并构建了集群系统的增广Laplacian矩阵,其最小特征值反映了集群的一致性收敛速度,以及连通性与鲁棒性;最后分析了增加牵制点对...     

无人机蜂群中紫外光隐秘通信能耗均衡路由算法

针对复杂战场环境下无人机蜂群的任务协同要求,保证编队内可靠的路由通信尤为重要。考虑无人机携带能源有限,为了尽可能延长空中作业时间,提出一种无人机蜂群中紫外光隐秘通信能耗均衡路由算法。在无人机编队保持的基础上,结合无线紫外光散射通信特点,在路由选择过程中引入通信链路路径损耗和无人机节点剩余能量来构建链路权值函数,从而有效地平衡无人机蜂群节点的能量消耗。仿真结果表明,与其他算法相比,所提算法能够动态地选择数据传输路径,使节点的能量消耗均衡,进而延长无人机蜂群的生命周期。     

基于DE-DMPC的UAV编队重构防碰撞控制

当战场环境发生变化时,无人驾驶飞机(unmanned aerial vehicle, UAV)编队只有进行编队重构,才能保证编队的生存能力。在重构过程中碰撞问题严重威胁UAV安全应着重考虑。通过对UAV编队重构防碰撞问题进行分析,提出采用分布式模型预测控制(distributed model predictive control, DMPC)的方法,将编队重构问题转化为滚动在线优化问题。结合碰撞约束建立重构代价函数,针对代价函数求解复杂的问题,提出采用改进微分进化(differential evolution, DE)算法求解代价函数,并对算法的收敛性进行了分析。仿真实验表明,所提出的算法能够有效实现编队重构防碰撞控制,同时其代价更小、寻优能力更强。     

变权区间数Heronian算子下集群态势觉察一致性评估

无人机集群协同态势觉察一致性是集群协同作战获取信息优势的重要条件,基于此提出了基于变权区间数Heronian算子的集群态势觉察一致性评估方法,用于多种(作战仿真)情况下集群协同态势觉察一致性分析。首先,结合集群协同作战需求,从完备性、准确性等方面对一致性评估指标进行建模;然后,考虑多时刻指标数据的不确定性,构建非线性处理的区间决策矩阵,利用变权理论求取权重;最后,考虑指标的关联性,使用区间数加权Heronian平均算子集结指标数据,利用集结的区间数表征集群态势觉察一致性。结果表明,所提指标及方法可以有效分析集群协同态势觉察一致性。     

基于光流的固定翼小型无人机自主着陆控制

以固定翼小型无人机的自主着陆控制为研究背景,提出了一种基于光流的固定翼小型无人机自主着陆控制方法。该方法首先在分析固定翼飞行器着陆段运动特性的基础上,将着陆阶段的控制解耦为对飞行器的横向控制和纵向控制,然后以跑道线作为特征,计算其稀疏直线光流场,并结合摄像机模型以及光流场和速度场之间的关系,用跑道线的水平流作为系统反馈,设计控制系统。最后在Simulink环境下搭建动态仿真系统,仿真结果表明,使用本文方法可以有效实现飞行器的自主着陆控制。