基于实时信道容量模型的无人机集群飞行控制研究
这是一篇关于编队控制,无人机集群通信模型,离散控制器,unicycle模型,虚实结合的平行仿真系统的论文, 主要内容为随着无人机集群技术近年来的迅速发展,人们逐渐认识到通信是制约集群发挥效能的瓶颈因素。在无人机集群分布式控制构架下,每架无人机需要与周围邻居无人机进行实时交互来达成控制目的,但有限带宽资源往往会导致机间通信干扰的频繁发生,从而带来传输时滞乃至通信中断,最终大大降低了控制性能。因此,从控制与通信交叉视角,分析无人机集群系统控制与通信性能之间的本质联系,是突破集群控制中通信瓶颈问题的核心所在。本文的研究重点是从无人机集群的物理层通信模型出发,设计集群的通信拓扑和编队飞行控制器,以确保无人机间通信顺畅和控制器的有效运行,主要工作包括:在实时信道容量的约束下,建立无人机集群的通信模型以指导通信拓扑的设计:依据实时通信模型建立集群的通信“极限构型”,并分析了由通信参数、编队构型、发布者无人机的个数和位置决定的集群通信拓扑的性质,得出了集群通信拓扑中存在生成树的三个基于距离的充分条件。在实时信道容量的约束下,分别设计二阶积分器模型和unicycle模型的无人机集群编队飞行离散控制器:将二阶积分器模型的无人机集群系统离散化,并基于“极限构型”及其性质设计一种具有一定鲁棒性和可扩展性的通信拓扑,结合一致性协议给出无人机集群编队飞行的离散控制器。提出了unicycle模型的精确离散化方法,并基于“leader-follower”模型设计集群的通信拓扑,提出基于优化设计的李雅普诺夫函数的方法设计了一种全局渐近稳定跟踪的离散控制器,并证明了两者的有效性。设计并实现一种用于无人机集群实验的虚实结合的平行仿真系统,并对算法进行验证:该系统包括仿真系统、实物系统和地面站三部分,仿真系统采用XTDrone平台,实物部分采用Vicon动作捕捉系统实现,三者之间进行实时信息交互,实现虚实结合。在搭建的虚实结合的平行仿真系统基础上,验证了“极限构型”的性质和二阶积分器模型的无人机集群编队飞行的离散控制器的有效性。
高超声速滑翔导弹机动与编队控制方法研究
这是一篇关于滑翔弹,机动方式,威胁区规避,粒子群优化,编队控制的论文, 主要内容为近年来,随着各国反导防御系统的愈加完善,弹道导弹的突防及打击成功率受到了极大的挑战,而滑翔弹由于可以实现远程滑翔,依靠空气动力进行无规则滑翔,使得探测系统的探测能力受阻,且缩短了防御系统的反应时间,从而大大提高了自身的突防能力,因而成为当今的一个研究热点。滑翔弹可以依靠自身机动来扰乱对方的探测,进一步降低防御系统的反应能力,从而提高自身的突防能力。具有多个滑翔弹的编队可以通过混合虚假目标的方式来吸引敌方拦截,从而保护真正具有打击能力的导弹,而且多个导弹亦可实现对目标的饱和打击,从而提高对目标的毁伤能力。对滑翔弹机动方式和编队策略的研究,是滑翔弹机动突防领域的重点研究方向,具有很高的理论研究价值与工程应用意义。首先,对使用到的坐标系及坐标系之间的转换关系进行了介绍,建立了大气及滑翔弹气动力模型,在此基础上,构建了滑翔弹的三自由度模型,为后续的算法研究提供了模型支撑。其次,对滑翔弹在滑翔段的机动方式进行了详细的设计。通过对滑翔弹在纵向和横向的弹道设计方式的分析,提出了通过优化弹道偏角和倾侧角的方式设计滑翔弹横向弹道的方法。针对已经探测到的威胁区域,使用粒子群优化算法对滑翔弹道进行了优化设计,使得滑翔弹可以规避威胁区域的同时符合中末制导交接班条件。此外,设计了两种程序机动方式,用于扰乱敌方的探测系统,增加敌方防御系统的反应时间,增加突防成功率。仿真结果表明滑翔弹可以以较优的机动方式规避威胁区,且在滑翔段末端符合中末制导交接班条件。最后,设计了基于角度一致性的“领-从”式编队控制策略。其中,将领弹的弹道倾角和弹道偏角作为从弹的期望弹道倾角和弹道偏角,通过PI控制器计算从弹的倾侧角指令来控制从弹与领弹保持一致,从而实现编队队形的保持与稳定控制。由仿真结果可以看出,本文设计的基于角度的编队控制算法可以较好地实现滑翔弹编队队形的稳定控制,且相比于传统的基于位置的编队控制算法,其可以同时对从弹在侧向和高度方向上的位置进行较好的控制,而基于位置的编队控制策略无法对从弹高度方向上的位置进行稳定的控制。
基于实时信道容量模型的无人机集群飞行控制研究
这是一篇关于编队控制,无人机集群通信模型,离散控制器,unicycle模型,虚实结合的平行仿真系统的论文, 主要内容为随着无人机集群技术近年来的迅速发展,人们逐渐认识到通信是制约集群发挥效能的瓶颈因素。在无人机集群分布式控制构架下,每架无人机需要与周围邻居无人机进行实时交互来达成控制目的,但有限带宽资源往往会导致机间通信干扰的频繁发生,从而带来传输时滞乃至通信中断,最终大大降低了控制性能。因此,从控制与通信交叉视角,分析无人机集群系统控制与通信性能之间的本质联系,是突破集群控制中通信瓶颈问题的核心所在。本文的研究重点是从无人机集群的物理层通信模型出发,设计集群的通信拓扑和编队飞行控制器,以确保无人机间通信顺畅和控制器的有效运行,主要工作包括:在实时信道容量的约束下,建立无人机集群的通信模型以指导通信拓扑的设计:依据实时通信模型建立集群的通信“极限构型”,并分析了由通信参数、编队构型、发布者无人机的个数和位置决定的集群通信拓扑的性质,得出了集群通信拓扑中存在生成树的三个基于距离的充分条件。在实时信道容量的约束下,分别设计二阶积分器模型和unicycle模型的无人机集群编队飞行离散控制器:将二阶积分器模型的无人机集群系统离散化,并基于“极限构型”及其性质设计一种具有一定鲁棒性和可扩展性的通信拓扑,结合一致性协议给出无人机集群编队飞行的离散控制器。提出了unicycle模型的精确离散化方法,并基于“leader-follower”模型设计集群的通信拓扑,提出基于优化设计的李雅普诺夫函数的方法设计了一种全局渐近稳定跟踪的离散控制器,并证明了两者的有效性。设计并实现一种用于无人机集群实验的虚实结合的平行仿真系统,并对算法进行验证:该系统包括仿真系统、实物系统和地面站三部分,仿真系统采用XTDrone平台,实物部分采用Vicon动作捕捉系统实现,三者之间进行实时信息交互,实现虚实结合。在搭建的虚实结合的平行仿真系统基础上,验证了“极限构型”的性质和二阶积分器模型的无人机集群编队飞行的离散控制器的有效性。
基于自适应动态规划的多四旋翼无人机编队控制
这是一篇关于四旋翼无人机,自适应动态规划,编队控制,编队重构,容错控制的论文, 主要内容为四旋翼无人机以其低成本和创新的结构,在实际中有着广泛的应用,如救援、消防、监视、检查、测绘等。多无人机编队自主协同飞行具有负载能力高,传感器类型多样,巡航能力突出等优点,这有力的解决了单无人机执行任务时载荷小、容错低的问题。因此,本文重点介绍四旋翼无人机的编队鲁棒、重构和容错控制方法,主要内容有:(1)针对外界综合扰动影响下的四旋翼无人机编队控制问题,当干扰上界已知时,提出了基于自适应动态规划的编队鲁棒控制器设计方法。首先,考虑已知上界的综合扰动的影响,设计了可同时反映不确定性、跟踪误差和控制量的价值函数,并利用临界神经网络去逼近最优价值函数的解,建立了一种基于神经网络的鲁棒跟踪控制方案;其次,利用姿态解算得到内环参考信号,由此设计基于有限时间滑模的姿态控制器,实现了对无人机的姿态控制。最后,通过仿真验证了在干扰上界已知的条件下,设计的编队控制器可以保证在外界干扰的影响下实现多无人机编队的生成与保持。(2)针对综合扰动影响下的多无人机编队重构现象,提出了一种基于多项式逼近和自适应动态规划的编队重构控制策略。首先,基于扰动观测器对外界综合扰动进行估计,并据此观测值设计效用函数,将外界综合扰动影响下的编队稳定控制问题转换为最优协同控制问题,然后利用构建的神经网络近似逼近最优代价函数求解最优控制律;同时,为了满足编队队形变换目标,采用势能函数进行避碰,综合完成编队位置控制器设计。对每架无人机进行姿态解算并设计有限时间姿态跟踪控制器,保证姿态的快速调整;最终,通过仿真实验,实现了无人机编队在干扰环境下的编队保持与队形重构控制。(3)针对具有执行器故障的多无人机编队系统,设计了一种基于故障观测器和自适应动态规划算法的容错控制器。首先利用设计的故障观测器估计故障,并由此构造反映执行器故障、调节和控制的性能指标函数。此时,可将具有执行器故障的容错控制问题转化为最优控制问题;然后通过构造临界神经网络,采用策略迭代算法求解HJB方程,实现外环编队控制,保证具有执行器故障的外环位置系统一致最终有界。同时,基于滑模算法设计姿态控制器,实现姿态的快速跟踪;最终,仿真验证了具有执行器故障的多无人机编队系统稳定运行。
海上无人系统多智能体编队控制技术研究
这是一篇关于多智能体系统,非线性,编队控制,网络故障,包含控制的论文, 主要内容为由于计算机科学、通信技术的快速发展,海上无人系统控制的发展得到了迅速发酵,被控对象也实现了由单个到多个的转变。随海上无人系统被控对象数量的不断增幅,进行群体协调控制时被控对象间的信息交互成为不可忽视的影响因素。多智能体系统协调控制理论是一类考虑到智能体间通信交互方式的方法。将其用于海上无人系统的控制过程成为目前海上无人系统控制中的研究热点,具体处理时将海上无人系统中的控制视作智能体处理,由于智能体没有一个实体的模型,一般将多智能体协调控制理论用于海上无人系统控制中的决策部分。实际应用中将产生的决策内容传输至系统控制器,再由控制器将其转化为一类执行器可识别的状态,最终实现整个海上无人系统控制过程。利用多智能体系统分布式协调控制实现海上无人系统群体控制的核心问题是如何使得所需状态量能够达到一致,即一致性问题,其他问题都可视为在此基础上发展与衍生而来。本文从一致性基础问题出发,分别考虑了传感器通信范围限制、复杂环境的未知扰动、多任务的交叉等实际影响因素,研究了多智能体系统的编队控制、包含控制等分布式协调控制问题。主要研究内容如下:针对复杂的外部环境所存在的不确定性、非线性扰动,研究了有向拓扑下非线性多智能体系统的一致性过程,非线性模型满足局部Lipschitz连续动力学。基于非奇异终端滑模控制的方法,设计了多智能体系统分布式一致性控制协议,并通过Lyapunov稳定性理论证明了非奇异终端滑模对于系统非线性的控制效果。针对固定拓扑下的无领导者多智能体系统编队控制问题,基于智能体与其邻近个体间的相对状态信息设计了编队控制协议,基于代数图论与Lyapunov稳定性理论得出了系统在所设计控制协议下实现编队控制的充分条件。针对系统运动过程中的避障问题,基于传统的人工势场法加以改进,设计利用斥力势场进行的避障方法,使得智能体在运动过程中能够有效地规避障碍物。针对目标跟踪问题,采取Olfati-Saber提出地利用航行反馈项的方式得以实现,该方法针对静态目标与动态目标均具有效性。通过矢量叠加思想,实现了固定拓扑下多智能体系统以期望队形向目标运动过程中遭遇障碍物规避障碍物的整个过程。针对由于通信中断引起的通信故障下的无领导者多智能体编队控制,同时考虑外部环境扰动满足Lipschitz连续动力学,将通信中断所带来的通信拓扑变化处理为一类特殊的切换拓扑问题。考虑到系统得通信变化,系统采取时变编队函数设计期望队形,时变的编队队形对于通信变化所带来的干扰具有较好的适应性。基于各智能体与其邻近个体间的相对信息状态以及满足Lipschitz连续条件的非线性动力学设计时变编队控制协议,根据代数图论、Lyapunov稳定性理论与求解Riccati不等式推导得出切换拓扑下非线性多智能体系统实现时变编队的实现条件。针对存在多个领导者的多智能体系统包含控制问题,首先研究了具有动态领导者的多智能体系统包含控制,这里假设领导者间无信息交互也无队形限制,基于领导者与跟随者、跟随者与跟随者间相对状态信息设计了包含控制协议,结合代数图论、Lyapunov稳定性理论推导得出实现动态领导者下的包含控制的充分条件。由于实际工作需求,领导者间需存在信息交互,同时还需根据实际工作需求形成并保持某一期望队形,因此研究了存在领导者编队的包含控制问题,即编队控制问题。由于领导者间可能存在切换拓扑情况,选取为时变编队函数设定期望队形。领导者基于领导者间的相对状态信息设计编队控制协议,并通过结合代数图论、Lyapunov稳定性理论得到实现领导者编队的充分条件;整个系统基于智能体间的相对信息状态设计包含控制协议,通过代数图论、Lyapunov稳定性理论得出实现包含控制的充分条件与增益参数。同时满足领导者编队控制条件与系统包含控制条件时,系统则可实现编队包含控制,即领导者可形成并保持期望的编队队形,跟随者状态可收敛到领导者状态所形成的队形凸包中并与领导者保持相同速度一同运动。
具有非线性项的异构多智能体系统协同控制研究
这是一篇关于异构多智能体系统,一致性,编队控制,Lyapunov稳定性理论的论文, 主要内容为近些年来随着物联网、通信、芯片制造等技术的不断优化迭代,多智能体系统协同控制问题引起了国内外专家学者的重点关注。本文以完成具有非线性项的异构多智能体系统协同控制为目标,重点讨论因异构和非线性特点导致系统协同控制实现困难的问题,非线性系统由于内部结构的复杂性,难以像线性系统一样得到一种通用性结论,但在实际的工程活动中又无法避免出现非线性模型。而异构系统中智能体具有不同的动力学模型、机械结构等,这些差异性导致分析过程较为困难,但对比同构系统,异构系统能在复杂的场景下高效地完成任务。本文基于上述背景针对具有非线性项的异构多智能体系统设计了一致性控制协议和编队控制协议。本文的主要研究内容如下:首先,针对由一阶线性和二阶具有非线性项的智能体组成的多智能体系统,在无领导者和有一阶静态领导者两种情况下的一致性问题,参考现有文献资料,观察其中系统的结构形式,理解对应的一致性协议构造思想,对比系统之间的差异,设计相适应的一致性协议。利用图论、Lyapunov稳定性理论和Lasalle不变集理论等工具,得到系统在所设计的协议作用下实现一致性的充分条件。随后进行数值仿真,最终数值仿真结果表明,若满足文中提出条件,该系统在设计的协议作用下可以实现一致性。最后搭建由智能小车和四旋翼无人机组合的简化版Simulink平台,对前节的研究进行仿真,形象模拟多智能体系统在实际工程中的运用,也有助于对多智能体系统的理解更加立体。其次,考虑由一阶线性领导者和二阶具有非线性项的跟随者组成的异构多智能体系统,在前章讨论的一致性协议基础上,设计出一种编队控制协议。运用模型转换思想将复杂的系统动力学方程转化成更易于分析的矩阵形式,随后使用Lyapunov稳定性理论等工具分析系统的稳定性,结合Schur补引理以线性矩阵不等式的形式给出了系统实现编队控制稳定的充分条件。通过软件Matlab2018b中LMI工具箱证实线性矩阵不等式可以求出可行解,再进行数值仿真,最终仿真结果表明,若满足文中给出的条件,跟随者和领导者能够达到预先设定的队形,设计的编队控制协议有效。最后,在前文研究的基础上,将系统划分为两个群组,两个群组各有一个领导者,领导者保持独立的运动,不被其它智能体影响。随后对比单个群组与两个群组之间的结构差异,设计针对两个群组的编队控制协议,运用模型转换及Lyapunov稳定性理论等工具分析系统的稳定性,得到系统在编队控制协议作用下达到稳定性的充分条件,最后数值仿真结果表明两个群组的跟随者能和各自的领导者达到预先设定的队形,设计的编队控制协议有效。
推力受限的ROV精准轨迹跟踪与编队控制研究
这是一篇关于ROV,三维轨迹跟踪,推力受限,预设性能,编队控制的论文, 主要内容为遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicles,ROVs)是智能海洋航行器的一个分支,在海洋资源探索、海底管道检修、水文监测、军事侦察等领域得到了广泛应用。轨迹跟踪是ROV实现自主航行的关键技术之一,研究其精准轨迹跟踪控制问题对于推进ROV未来技术发展具有重要实际意义。本文以ROV为研究对象,着重考虑推力受限、未知系统动态、复杂时变外界扰动等情形下的单体ROV精准轨迹跟踪与多ROV编队控制问题,提出相应控制方案,主要工作如下:首先,针对存在水下环境干扰、推力受限的ROV高精度轨迹跟踪控制问题,提出了基于非线性扰动观测器的动态面滑模控制方案。具体地,使用动态面滑模控制解决了反步法存在的微分爆炸问题并使设计的控制器具有更强的鲁棒性;设计的观测器实现对扰动的精准辨识,减小了未知外界扰动对跟踪系统造成的不利影响;结合双曲正切函数设计辅助系统,解决了推力受限问题;采用Lyapunov理论证明所提出方案的整体稳定性。仿真及比较结果验证了所提出方案的优越性。其次,针对ROV三维轨迹跟踪的预设性能精准控制问题,同时考虑推力受限、水下环境干扰、未知系统动态等因素,提出基于有限时间集总观测器和预设性能变换的精准轨迹跟踪控制方案。具体地,有限时间集总观测器对外界扰动和未知系统动态构成的集总扰动实现了有限时间观测;使用误差转换函数和预设性能函数将跟踪误差约束在合理范围内,并设计非奇异终端滑模面确保轨迹跟踪误差的快速镇定;设计补偿系统消除输入饱和限制;采用Lyapunov理论证明所提出方案的整体稳定性。仿真及比较结果验证了所提出方案的优越性。最后,针对推力受限、水下环境干扰、未知系统动态影响的ROV预设性能精准编队控制问题,设计了一种基于有限时间扩张状态观测器和预设性能变换的精准编队控制方案。具体地,采用领航者-跟随者编队控制方案;设计有限时间扩张状态观测器实现对每一个ROV受到的外界扰动和其未知系统动态的精准观测和补偿;设计辅助系统将控制输入约束在合理范围内;使用误差转换函数和预设性能函数将每个ROV和虚拟领航者之间的跟踪误差约束在合理范围内,并设计积分滑模面实现对期望轨迹的精准跟踪;采用Lyapunov理论证明所提出方案的整体稳定性。仿真结果进一步验证所提出控制方案的有效性。
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