基于信息一致性的无人机紧密编队集结控制

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1、航空学报ActaAeronauIicaelAslrOnaulicaSinicaDec．252015Vol36No123919．3929ISSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaaeducnhkxb@buaa．edu．cn基于信息一致性的无人机紧密编队集结控制朱旭1’*，张逊逊1，尤谨语1，闫茂德1，屈耀红21．长安大学电子与控制工程学院，西安7100642．西北工业大学自动化学院，西安710129摘要：提出了基于信息一致性的分段式无人机紧密编队集结控制策略，将集结过程分为3步：参考集结点选取和目标集结点分配、形成松散编队以及形成紧密编队。首

2、先，以线切入预定航线的方式计算参考集结点，按照松散编队队形展开生成目标集结点，并利用基于三维距离空间的优化选择算法，将目标集结点快速、准确地分配给每架元人机。然后，使用速度一致性实现向目标集结点定点集结和向松散编队伴航集结，通过非精确的航迹控制快速形成松散编队，提高编队集结的效率。接下来，启动速度、姿态一致性来实现编队最终的精确航迹控制，并逐步压缩编队队形进入紧密编队，避免发生碰撞，完成从松散编队到紧密编队的平稳过渡，同时准确地跟踪预定航线。使用协同修正方法抑制了测量误差、协同误差和通信延迟，提高了紧密编队的稳定性和控制精度。最后，基于MATLAB平台环境对所提三维集结控制策

3、略进行了仿真，验证了其合理性与有效性。关键词：无人机；紧密编队；一致性；集结；航迹控制中图分类号：V249．1；TP391．9文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)12—391911无人机紧密编队控制是新兴的研究领域，它将多架无人机按照一定的队形进行排列，要求相邻无人机的机间距离不超过单架无人机翼展的两倍，并保持飞行过程中的队形不变uJ。紧密编队集结问题是其中的第一个关键技术，关系到紧密编队是否能够形成，是航空领域的研究热点，在军事和民用领域均有广阔的应用前景。在编队集结问题的研究方面，国内外学者已经取得了一些成果。Reynolds[21提出了一种多无人机的分

4、布式集结控制方案，防止各成员之间相互分离。Daniel等[3]在此基础上进行了改进，虽能快速集结，却没有考虑如何防止机间发生碰撞。Gazi和Passino[41利用势场方法来模拟群聚集行为和凝聚力，而Olfati—Saber和Murraybo则使用结构势函数来分析群集的稳定性。袁利平等邙1使用分散化控制策略解决多无人机同时到达问题，通过路径规划和速度控制抑制了路径误差和突发威胁等不利因素的影响。Easthope[73利用粒子滤波方法使各机跟踪编队几何中心，实现了集结的渐近稳定。Reynolds[81尝试通过基于行为法来模拟鸟类、蚂蚁、鱼类等的群集行为，以实现编队的智能集结和优

5、化控制。近年来，多智能体信息一致性理论逐渐应用于编队控制、群集运动、姿态同步和状态估计等领域，仅依靠局部信息交互的一致性算法日渐成熟[9】。Olfati—Saber和Murray[1O]系统地提出了多智能体信息一致性问题的理论框架，给出了拓扑结构为平衡图的平均一致的充要条件。Ren和收稿El期：2015-01—13；退修日期：2015—02—09；录用Et期：2015一05—29；网络出版时间：2015-06-1511：02网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929V201506151102003．html基金项目：国家自然科学基金(61473

6、229)；中央高校基本科研业务费专项资金(2014G2320006)*通讯作者Tel：029—82334369E—mail：zhuxu一1987@sinacom§

7、用格武：ZhuX，ZhangXX。YouJY，etalSwarmcontrolofUAVcloseformat『。nbasedoninformationconsensusEJJActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2015，36(12)：3919—3929i朱旭，张逊逊，尤谨语，等．基于信息一致性的无人机紧密编酞集结控钢[如航空学报，2015，36(12)：3919-3929．航空

8、学报Beard[1叼研究了具有固定拓扑与切换拓扑的有向加权网络的一致性问题，并分析指出，当系统拓扑结构中包含有向生成树时，系统能够达到一致。杨洪勇和张嗣瀛[12]针对具有时滞的离散时间多智能体系统的研究结果表明，系统的收敛与系统中存在的输入时滞相关而与通信时滞无关。关于非线性情形，有向生成树仍然是一致性稳定的充分条件，并得到了数学上的证明[1引。针对通信过程中的噪声干扰，TuncerCl4]讨论了通用连续多智能体的均方平均一致性问题，利用随机理论指出只要噪声有界，就可以抑制观测噪声的影响。关于牵制一致性