通信时滞的无人机编队控制.doc

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1、具有通信时滞的无人机编队控制方法摘要在最近的几场战争中无人机都得到了广泛的应用，它的使用拓展了传统意义上的战争模式概念，不仅仅降低了战争成本，更保障了人员的安全。无人机编队技术正是在此优势的基础上而提出，这一技术将使无人机更好的完成侦察、打击任务，在未来战争中具有不可忽视的作用，本文基于一致性理论，对无人机编队控制器技术进行了研究。论文的主要研究应用图论中邻接矩阵及拉普拉斯矩阵的定义及其相关性质，描述了无人机编队之间的通信拓扑关系;基于一致性理论，给出了具有时变通信时滞的编队一致性控制算法，利用Lyapuno

2、v-Krasosvskii泛函分析了该算法的稳定性，基于之前有人通过对仿真实验的分析，证明了使用该算法可以使编队达到预期要求，并且误差能够快速收敛，从而验证了该方法的有效性。关键词:无人机编队；邻接矩阵；拉普拉斯矩阵；通信拓扑关系；一致性理论.1引言编队中的无人机通过各自的自动驾驶仪完成飞行动作，若要保证所需编队的构型整体性，相互之间的信息传递、共享十分重要，只有在掌握其他编队成员的一些状态信息后，控制器才会发出相应的指令，使得各成员保证编队的一致性。但是无人机编队飞行过程中各单机相互之间不可避免的存在通信时

3、滞，研究解决具有通信时滞的编队控制问题将具有一定的现实意义。本章内容即是在数学图论的基础上，基于多智能体的一致性理论，提出具有通信时滞的一致性控制算法，并利用李雅普诺夫一一克拉索夫斯基泛函证明该算法的稳定性，并通过对计算机仿真结果的分析，验证算法有效性，从而保证无人机能够顺利的完成编队飞行任务。2图论基础无人机编队中各单机的相互通信关系类似于一幅具有方向的图形，而数学中的图论知识正是以图为研究对象的，它是描述多个体之间拓扑关系的常用工具。在图论范畴内，通常用点代表某种事物，用连接两点之间的线表示这两个事物具有

4、某种联系，因此，将图论知识引入到无人机编队控制方案的设计中，可以方便的描述出编队中各单机之间的通信拓扑关系，达到简化通信模型的目的。2.1图的定义一个图G是由一个非空的有限集合v=v(G)和v中的无序数对的集E(G)所构成的二元组，其中，V称为顶点集，称为图G的阶数，E称为边集，E中的无序数对通常以连接两顶点的线的形式表示出来，称为边。称为图G的边数。一个有向图通常可以用G=(V,E)来表示，其中，EVV，表示一对有序点的集合。图中的边(i,j)E表示智能体j能够直接获得智能体i传递的信息。而在无向图中，边(

5、i,j)表示智能体i与智能体j都能从对方获得信息，也就是说，在无向图中，边(i,j)与边(j,i)是一样的。在有向图中，如果存在一条从节点i到节点j的边，那么节点i叫做节点j的父节点，节点j叫做节点i的子节点。有向路径也就是由一系列形式为(Vi1,Vi2)(Vi2,Vi3)的边所组成的,其中，VijV。在有向图中，圆是一个起点和终点是同一节点的有向路径。规定如果在有向图中，从每一个节点到其他任意一个节点都有至少一条有向路径，那么称该有向图是强连通的。2.2图的相关矩阵邻接矩阵是表示图中各节点之间关系的矩阵，根

6、据图论知识，给出有向图的邻接矩阵表达式:拉普拉斯矩阵表达式：根据矩阵定义我们能够知道，矩阵L具有如下性质：定义1n表示所有元素都为1的nl维列向量，0n表示所有元素都为0的nl维列向量。那么根据拉普拉斯矩阵的定义有如下等式成立:Lln=0n。例如给定图形拓扑关系，如图1-1所示。图1-1通信拓扑结构根据上述定义，图1-1的邻接矩阵和拉普拉斯矩阵分别表示为:3一致性理论智能体是通过其自身具有的传感器来感知外部环境信息，并借助于执行器作用于该环境的一种事物，其概念被广泛应用于人工智能和计算机领域之中。单架次的无人

7、机利用自身携带的传感器和自动驾驶仪控制其能够按照要求稳定的飞行，因此，单架无人机也可以看作是一个独立的智能体。继而无人机编队就可以看作是一个由多智能体组成的系统，该系统是由分布配置的大量自治子系统通过网络互连构成，是一种复杂的、大规模的系统。在编队控制、群集，蜂拥等协同控制问题中，一致性理论得到了科研人员广泛的关注。所谓一致性，从控制理论的角度来说，就是指各智能体的状态变量在一定的控制协议和控制器的作用下，最终达到一致。这些状态变量统称为协同变量，最终达到的状态值统称为决策值，而根据决策值是否己知，可以将一致

8、性问题划分为有参考状态一致性和无参考状态一致性问题。在本章设计实验中，存在虚拟机的控制指令输入，因此可以看作是一种有参考状态的一致性问题。4控制方案设计编队的控制方案设计就是根据实际任务需求，合理有效的设计出一致性协议，使得各无人机能够按照期望的轨迹与相对位置运动，顺利完成编队协同飞行任务。4.1一致性协议设计飞机的运动是依靠发动机的推力以及飞行时产生的空气动力完成的，通过作用于机翼上的力和力矩来改