具有通信时延和拓扑时变的多无人机姿态同步控制

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1、第３１卷第５期四川理工学院学报（自然科学版）Ｖｏｌ３１Ｎｏ５２０１８年１０月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｏｃｔ２０１８文章编号：１６７３１５４９（２０１８）０５００２９０７ＤＯＩ：１０．１１８６３／ｊ．ｓｕｓｅ．２０１８．０５．０５具有通信时延和拓扑时变的多无人机姿态同步控制ａｂａａ余亮，林达，任斌，唐余（四川理工学院ａ．自动化与信息工程学院；ｂ．物理与电子信息工程学院，四川自贡６４３０００）摘要：针对具有二阶动力学特性的多无人机系统模型，研究了多无人机（ｍ

2、ｕｌｔｉＵＡＶｓ）系统在通信时延和通信拓扑结构为无向时变情况下的姿态同步问题。通过对姿态同步的一致性条件分析，将一种针对多个一般非线性系统的基于输出反馈的协同控制方法应用在采用四元数法描述的空间多个刚体姿态的协同控制系统中去，并利用姿态动力学及ＬｙａｐｕｎｏｖＫｒａｓｏｖｓｋｉｉ泛函对该控制方案进行了理论证明。数值仿真结果表明，当通信时延、通信拓扑结构等参数随机切换时，该姿态同步控制算法能有效地保证每个飞行器在编队中能够与其他飞行器保持姿态同步的同时，还能够在有限时间内达到期望的时变姿态以及角速度。关键词：多无人机；通信时延；拓扑时变；姿态同步中图分类号：ＴＰ１３文献标志码：

3、Ａ［２］同地完成共同的任务。针对一致性问题，有两个问题引言是不可避免的：一是在多智能体系统中，任意两个智能近年来，多智能体一致性理论成为控制理论界十分体之间存在通信时延是肯定存在的，文献［３－５］中介绍活跃的一个研究方向，多智能体相比于单个智能体行动了解决通信时延的一致性算法，并将其应用于多无人机而言有着更好的灵活性、适应性、执行能力等优点。同协同控制系统中，但在实际应用中这些假定均不能得到时，对多智能体一致性协议与协同控制的研究也直接为有效的满足，如通信的延时并不能被限定为连续的；另多飞行器群体、航空母舰编队、卫星协同控制等问题提一问题是在协同控制过程中通信拓扑结构发生改变后［

4、１］供了指导思想。如何确保相互之间的信息能够得到及时的交换而不受［６］同时，多智体系统一致性理论作为智能体之间协同影响。因此，研究在拓扑结构发生改变和存在通信时控制的基础，得到了快速发展。所谓一致性是指多智能延的情况下处理好相互之间的信息交流就显得很有现［７］体在网络环境下通过感知测量周围成员的信息并彼此实意义。交换，在各个智能体上分布式的产生某种算法或协议，无人机协同编队离不开相互间的信息沟通，而在编使得这些智能体在相互协同的问题上达成一致，从而协队中的通信常会受到恶劣的天气、电磁干扰、通信设备收稿日期：２０１８０６０５基金项目：国家自然科学基金（６１６４０２２３）；中国科

5、学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室开放基金（２０１６０１０６）；四川省自然科学基金（２０１６ＪＹ０１７９）；人工智能四川省重点实验室基础研究重点项目（２０１６ＲＺＪ０２）作者简介：余亮（１９９４），男，四川资阳人，硕士生，主要从事多无人机智能协同控制方面的研究，（Ｅｍａｉｌ）１４０３８４７＠ｑｑ．ｃｏｍ３０四川理工学院学报（自然科学版）２０１８年１０月［８］故障等因素的干扰而造成通信延时，甚至造成通信链角。路中断。文献［９］分析了通信距离限制、通信角度限制、定义两个单位四元数Ｑ和Ｑ的乘积为ＱＱ＝１２１２通信时间延迟等对编队的影响，利用状态估计的无人机η１ｑ２＋η

6、２ｑ１＋Ｓ（ｑ１）ｑ２[]，且两者的乘积仍为一个单位状态信息补偿方法来消除通信延时的影响。文献［１０］ηη－ｑＴｑ１２１２针对固定通信拓扑下具有时变时延的多无人机系统同Ｔ３四元数。其中Ｓ（ｘ）是与ｘ＝（ｘ１ｘ２ｘ３）∈Ｒ相关的斜步的问题，利用ＬｙａｐｕｎｏｖＫｒａｓｏｖｓｋｉｉ函数分析了时延多０－ｘｘ３２无人机系统的稳定性，提出了一种基于一致性协议的分对称矩阵，表示为：Ｓ（ｘ）＝ｘ０－ｘ。３１布式编队控制算法。文献［１１］选取包含位置跟踪误差－ｘｘ０２１和速度跟踪误差的辅助变量，提出了一种适用于时变通图１给出了四旋翼飞行器模型的架构，其中θ、φ、ψ信延迟的鲁

7、棒自适应编队控制策略。分别表示俯仰、滚转、偏航角。这种常见的四旋翼无人在无人机编队执行任务的过程中，可能会因地理位机通过增加或降低四个发动机的旋转速度来实现沿ｚ轴置或敌人攻击等因素而改变编队形式。文献［１２］针对的推力，实现无人机的爬升或降低。滚转运动通过增加具有切换互联拓扑的无人机群的时变编队控制问题，提旋翼２的推力，减小旋翼４的推力来控制，以此来得到出了具有双环结构的控制方案，即内环控制器控制姿一个向右的滚转；俯仰运动则是通过旋翼１和旋翼３之态，外环控制器驱使无人机飞向期望的