具有时空解耦特性的空中多智能体分布式椭圆环绕制导方法技术

本发明专利技术公开了一种具有时空解耦特性的空中多智能体分布式椭圆环绕制导方法，涉及多智能体协同路径跟随控制领域。首先，针对空中多智能体分布式周期性目标/区域观测任务想定，给定惯性系下椭圆参考路径的隐式描述，将其指派给集群系统中的虚拟领导者，设计其前向速度和角速度；其次，为确保跟随智能体渐近收敛于椭圆参考轨道并维持环绕飞行，建立包含协同一致性误差和偏航角跟踪误差的复合函数，计算跟随智能体的角速度以实现预设的空间任务；最后，为达到跟随智能体沿着椭圆轨道等弧长编队并保持前向速度同步的效果，引入极坐标系下投影弧长计算规则，设计跟随智能体的前向速度，实现预设的动态任务。成功解决了多智能体均匀、等速分散于椭圆轨道的难题。等速分散于椭圆轨道的难题。等速分散于椭圆轨道的难题。

【技术实现步骤摘要】
具有时空解耦特性的空中多智能体分布式椭圆环绕制导方法


[0001]本专利技术涉及多智能体协同路径跟随控制领域，具体为一种具有时空解耦特性的空中多智能体分布式椭圆环绕制导方法，解决了面向持续性、周期性对地观测任务的空中多智能体协同编队控制问题。

技术介绍

[0002]近年来，受制于单一空中智能体的感知、通信、计算与机动能力受限，部署空中多智能体协同执行多样化精细任务已经成为自主无人系统研究的重要内容。借助合理的协同控制器设计，使得空中多智能体能够协同达到预期的集群控制行为，可有助于提升任务完成的满意程度、增强复杂环境下的自适应能力。因此无论是在军事还是民用领域，空中多智能体协同控制引发了控制科学、智能科学领域学者的广泛关注。尽管空中多智能体协同领域取得了长足的研究进展，但已有文献大多聚焦于沿多条路径的编队控制、圆形环绕编队控制等场合，由于利用时间参量相关的轨迹作为指令，故本质上属于轨迹跟踪框架，存在严重的时空耦合问题。
[0003]相较于圆形环绕编队，利用空中多智能体局部交互构成椭圆编队构型，是近年来发展起来的应对块状目标持续性、高效精细观测的新手段。如何在路径跟随框架下赋予空中多智能体控制系统时空解耦特性，实现更为灵活的椭圆轨道有序环绕目前仍是开放性问题，其设计面临如下挑战：(1)已有的多智能体圆形协同环绕控制研究，往往通过调控与相位角有关的协同误差来实现多智能体等相位分布的编队效果，当参考路径是环绕半径时变的椭圆时，由于相位角误差难以精确表征沿椭圆的相邻曲线长度，已有方法难以保证多智能体的速度趋于一致，极大诱发了智能体机动行为和相邻个体间的碰撞风险。(2)已报道的椭圆环绕结果仅适用于一阶积分串联系统，难以适用于非完整约束模型等更为实际的空中多智能体。故开发具有时空解耦特性的空中多智能体分布式椭圆环绕制导方法亟待解决。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决在协同轨迹跟踪控制框架中，跟随智能体不必要的机动行为和控制器易饱和问题以及克服已有研究无法保证椭圆轨道导引下所有跟随智能体趋于一致的前向速度问题，提供了一种具有时空解耦特性的空中多智能体分布式椭圆环绕制导方法。
[0005]本专利技术是通过如下技术方案来实现的：一种具有时空解耦特性的空中多智能体分布式椭圆环绕制导方法，包括如下步骤：
[0006](1)针对空中多智能体分布式周期性目标/区域观测任务想定，给定惯性系下椭圆参考路径的隐式描述：
[0007]f(x,y)＝(bx)2+(ay)2‑
(ab)2＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0008]其中，x和y为跟随智能体在惯性系下的位置，a和b为正的设计参数，分别表示椭圆参考路径的长半轴与短半轴；
[0009]将预设的椭圆参考路径指派给集群系统中的虚拟领导者，设计驱动虚拟领导者非
完整约束模型所必需的前向速度u0和角速度ω0，并满足如下约束，使其严格跟踪椭圆参考路径：
[0010][0011]其中，f
0x
和f
0y
分别表示f0＝f(x0,y0)对x和y的一阶偏导数；f
0xx
,f
0xy
和f
0yy
表示f0对x和y的二阶偏导数；θ0为虚拟领导者沿椭圆轨道切线与惯性系x轴方向的夹角，由确定，
[0012](2)为确保跟随智能体渐近收敛于椭圆参考轨道并维持环绕飞行，首先借助信息一致性原理，定义跟随智能体的协同一致性误差e
if
：
[0013][0014]其中，N
i
是与第i个跟随智能体相邻的智能体集合；f
i
＝f(x
i
,y
i
)为第i个跟随智能体相较于椭圆参考轨道的路径偏差，x
i
,y
i
表示第i个跟随智能体在惯性系下的位置；a
ij
表示第i个跟随智能体和第j个跟随智能体之间的通信关系，当i可获得j的信息时，a
ij
＝1，否则a
ij
＝0；与之类似，b
i
表示第i个跟随智能体与虚拟领导者之间的通信关系；
[0015]其次，建立包含协同一致性误差和偏航角跟踪误差的复合函数s
i
：
[0016]s
i
＝arctan(k
i1
e
if
)+θ
ie
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0017]其中，θ
ie
＝θ
i
‑
θ
id
为第i个跟随智能体的偏航角跟踪误差，θ
i
表示第i个跟随智能体在惯性系下的偏航角，θ
id
为第i个跟随智能体的期望偏航角，由确定，f
ix
和f
iy
分别表示f
i
对x和y的一阶偏导数，k
i1
为正的待设计参数；
[0018]然后，为镇定复合函数s
i
，基于反馈线性化原理，设计第i个跟随智能体的角速度ω
i
以实现预设的空间任务：
[0019][0020]其中，k
i2
是待设计的控制增益，u
i
为第i个跟随智能体的前向速度，可由确定，f
ixx
,f
ixy
和f
iyy
表示f
i
对x和y的二阶偏导数；
[0021](3)为达到跟随智能体沿着椭圆轨道等弧长编队并保持前向速度同步的效果，以第i个跟随智能体的极角为积分起点，以第j个跟随智能体的极角为积分终值，引入极
坐标系下投影弧长计算规则：
[0022][0023]其中，是(x,y)在极坐标系下的等价描述，满足是(x,y)在极坐标系下的等价描述，满足l
ij
表示第i个跟随智能体到第j个跟随智能体的投影弧长，l
ij
＞0表示第i个跟随智能体沿椭圆轨道的投影点在第j个跟随智能体的前面，反之则l
ij
＜0；
[0024]其次，为规范跟随智能体沿椭圆路径上的协作行为，定义协同投影弧长误差e
il
：
[0025][0026]其中，d
ij
为第i和第j个跟随智能体期望的投影弧长距离，d
i0
为第i个跟随智能体与虚拟领导者期望的投影弧长距离；
[0027]最后，为镇定协同投影弧长误差，即相邻跟随智能体以均匀分布样式分散于椭圆参考路径，设计第i个跟随智能体的前向速度u
i
以实现预设的动态任务：
[0028]u
i
＝u0(1
‑
k
i3
tanh(k
i4
e
il
))<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有时空解耦特性的空中多智能体分布式椭圆环绕制导方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)针对空中多智能体分布式周期性目标/区域观测任务想定，给定惯性系下椭圆参考路径的隐式描述：f(x,y)＝(bx)2+(ay)2‑
(ab)2＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，x和y为跟随智能体在惯性系下的位置，a和b为正的设计参数，分别表示椭圆参考路径的长半轴与短半轴；将预设的椭圆参考路径指派给集群系统中的虚拟领导者，设计驱动虚拟领导者非完整约束模型所必需的前向速度u0和角速度ω0，并满足如下约束，使其严格跟踪椭圆参考路径：其中，f
0x
和f
0y
分别表示f0＝f(x0,y0)对x和y的一阶偏导数；f
0xx
,f
0xy
和f
0yy
表示f0对x和y的二阶偏导数；θ0为虚拟领导者沿椭圆轨道切线与惯性系x轴方向的夹角，由确定，(2)为确保跟随智能体渐近收敛于椭圆参考轨道并维持环绕飞行，首先借助信息一致性原理，定义跟随智能体的协同一致性误差e
if
：其中，N
i
是与第i个跟随智能体相邻的智能体集合；f
i
＝f(x
i
,y
i
)为第i个跟随智能体相较于椭圆参考轨道的路径偏差，x
i
,y
i
表示第i个跟随智能体在惯性系下的位置；a
ij
表示第i个跟随智能体和第j个跟随智能体之间的通信关系，当i可获得j的信息时，a
ij
＝1，否则a
ij
＝0；与之类似，b
i
表示第i个跟随智能体与虚拟领导者之间的通信关系；其次，建立包含协同一致性误差和偏航角跟踪误差的复合函数s
i
：s
i
＝arctan(k
i1
e
if
)+θ
ie
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，θ
ie
＝θ
i
‑
θ
id
为第i个跟随智能体的偏航角跟踪误差，θ

【专利技术属性】
技术研发人员：邵星灵，刘洪程，李东光，张文栋，曹红松，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：