[发明专利]基于状态估计的飞行器集群系统的一致性控制方法

说明书

本发明涉及一种基于状态估计的飞行器集群系统的一致性控制方法，包括建立飞行器的非线性运动方程，根据所述飞行器的非线性运动方程构建飞行器的线性方程，根据飞行器的通信拓扑结构和所述飞行器的线性运动方程建立飞控集群系统；建立所述飞控集群系统的分布式区间观测器，使用所述分布式区间观测器使所述飞控集群系统中的所有飞行器达到一致性控制。本发明可以结合通信网络结构建模、提高飞行器集群系统的抗干扰能力和集群作业能力。

技术领域

本发明涉及计算机控制技术领域，尤其是指一种基于状态估计的飞行器集群系统的一致性控制方法。

背景技术

近年来，世界各国针对多飞行器协同控制的研究方兴未艾。特别是针对多个飞行器集群系统的一致性控制更成为该领域的研究热点。与单个飞行器相比，飞行器集群系统通常具有更低的成本,更好的环境适应性和鲁棒性，以及更为强大的作业能力。因此，飞行器集群系统在军用和民用方面都具有巨大的应用潜力。

飞行器集群系统的理论基础来源于多智能体系统，这类系统具有复杂的通信网络，其中网络的变化也会对飞行器集群系统的一致性控制产生影响。如文献【Lin P,JiaY.Average consensus in networks of multi-agents with both switching topologyand coupling time-delay[J].Physica A:Statistical Mechanics and itsApplications,2008,387(1):303-313.】，该文章研究了切换拓扑和时间延迟情况下的多智能体系统的一致性控制问题，并且通过构造误差系统带入到李雅普诺夫函数中进而推导出充分条件的方法解决了该问题。此外，在文献【Zhang Z,Yang G.Distributed faultdetection and isolation for multiagent systems:An interval observer approach[J].IEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernetics:Systems,2018,50(6):2220-2230.】中，作者及其团队研究了多智能体系统遇到外部攻击时所要考虑的故障诊断和隔离的问题，该文中也主要是靠一般区间观测器来进行故障诊断的。

通常而言，一致性控制的目标在于保证一致性系统在跟踪预定飞行轨迹的前提下，保持某种特定的队形。例如，在军事动态目标的侦查任务中，飞行器之间需要保持一定的距离与角度，以同样的速度对目标进行跟踪观测。这样可以获得单个飞行器无法实现的高分辨率。单纯的一致性控制已获得广泛研究，并已取得很多研究成果。但当飞行器集群系统的飞行空间存在未知障碍物时，诸如实时避障机动和飞行器之间的防撞等因素就必须予以重点考虑，因此障碍空间中的一致性控制更具有挑战性。

在多飞行器的区间估计领域，近年来各国学者提出了许多不同的方法。比如正系统方法，可达集估计方法，区间盒子方法等。在传统的一般系统的集中式观测基础上可以对多智能体类系统进行分布式拓展，演化为分布式观测。同时，从控制过程中所设计的信息流的方向来看，控制方法可以粗略地分为两类：集中式控制策略和分布式控制策略。在集中式控制结构中，要求系统具有一个全局的主机，即具有全局的系统信息。集中式控制的主要问题在于计算的复杂性和系统的脆弱性。分布式方法主要利用局部信息(相对方向、速度等)执行全局集群控制，因此具有更好的系统鲁棒性和灵活性。在多飞行器集群系统的一致性控制中，设计一致性控制协议，同时提出李雅普诺夫能量函数并利用能量递减原理来实现一致性控制是较好的方法，其突出优点在于该方法的实用和简单。然而，在过去的工作中，大部分都是使用分布式观测器或者一般区间观测器来进行飞行器集群系统的一致性控制协议设计。对于这两类情况，前者不适用于存在大量外部扰动的情况，而后者则不适用于具有通信网络飞行器集群系统。

在建模方法上，由于飞行器集群系统有多个子飞行器系统，需要合适的系统理论以贴合实际。从现有文献可以看出，大多采取单个飞行器理论对其进行建模，而忽略了通信网络的存在，这并不符合实际。