无人机编队构成的分散最优控制方法研究

针对无长机带领、具有固定无向通信拓扑的无人机编队构成控制问题,提出了一种基于"相邻"无人机状态反馈的分散最优控制方法。该方法采用Laplacian矩阵描述编队通信结构,以"相邻"无人机与编队构型间的相对状态误差构建分散最优控制模型,并通过求解具有LMI约束的线性目标最优化问题得到编队各无人机的分散最优控制律。该方法使得多无人机在分散协同的前提下,基于局部信息快速准确地形成预定编队构型,达到运动方向和速度的一致性。仿真实验验证了该方法的有效性。     

卫星编队队形重构避碰技术研究

提出了一种新的考虑避碰约束的编队队形重构路径规划方法.首先通过常规编队重构规划方法得出各星的机动策略,以此预测重构过程中各星最小距离,将此最小距离大于安全距离作为约束条件,重新规划出队形重构轨迹.仿真结果表明,该方法计算量小,能够快速地规划出考虑避碰约束时的队形重构卫星机动轨迹,且能有效节省能量消耗.     

相对测量在编队卫星自主定轨中的应用

针对编队卫星自主定轨问题进行了研究,设计了一种完全不依赖于地面站和GPS系统的自主导航方案。利用星间测量信息进行卫星编队相对轨道状态的自主确定;并在利用磁强计进行卫星绝对轨道自主确定的基础上,引入星间测量信息提高绝对定轨精度;设计扩展卡尔曼滤波器进行卫星编队轨道状态估计,数学仿真结果验证了这种导航方案和算法的有效性。     

基于滑模的多无人机系统协同编队控制

针对具有非完整约束的多无人机系统编队控制问题，提出了一种基于滑模的协同编队控制算法。控制目标是使多无人机系统能够收敛到期望编队，并且能够跟踪上期望的运动轨迹。在领导-跟随结构中，编队的期望运动轨迹由一个动态的虚拟领导者来表示，仅部分跟随者先验已知虚拟领导者信息，并且所有跟随者之间只能局部交互信息。首先，采用分布式状态观测器，使所有跟随者能够在有限时间内估计出虚拟领导者的状态。然后，利用该观测器的估计状态，提出了基于滑模的协同编队控制算法。最后，基于李雅普诺夫稳定性理论证明了多无人机系统的稳定性,并且通过5架无人机的仿真验证了所提算法的有效性。     

基于构型控制的多平台协同轨迹规划

编队卫星的整体机动需要充分考虑各成员之间的协同运动关系,同时到达和不分散/不碰撞是其应满足的约束条件。首先基于C-W方程和Lawden方程得出了参考轨道为圆轨道/椭圆轨道下的周期性相对运动条件,针对不同飞行任务要求(对应中心航天器不同转移轨道),提出了一种整星编队机动的规划策略。仿真结果表明,该规划方法实现简单,且能满足编队协同运动的约束条件。     

带时变通信时间延迟的卫星编队姿态协同自适应L2增益控制

针对卫星编队姿态协同分布式控制问题,提出一种基于Lyapunov方法的编队飞行协同控制策略.首先,考虑到实际编队飞行中星问通信存在时变时间延迟及模型不确定问题,结合变结构控制的思想设计一种针对时滞系统稳定性分析的Lyapunov函数,从而由直接Lyapunov方法得到可对模型参数进行估计的自适应分布式姿态协同控制器,并...     

多导弹编队齐射攻击分散化协同制导方法

针对多导弹编队齐射攻击在时间上的协同要求,将攻击时间可控制导律(ITCG)与一致性分散化协调算法相结合,提出一种多导弹编队齐射攻击的分散化协同制导方法.编队内各导弹采用相邻局部通信,编队之间则通过各编队通信拓扑生成树的根节点进行通信.设计了导弹编队内和编队间的分散化协调策略,实现多导弹编队齐射攻击的分散化协调.推导了攻...     

基于相对方位信息和单间距测量的多智能体编队协同控制

由多个载体组成的多智能体系统对复杂环境具有更高的适应性,能够完成传统单个载体无法完成的任务。针对多智能体编队集结与队形移动跟踪问题,提出了一种改进的多智能体编队协同控制新算法。首先,以拒止环境下跟随智能体仅能通过光学传感器测量相对方位信息为任务背景,针对"领导者——第一跟随者"结构的多智能体编队,提出了基于相对方位信息与单间距测量的控制器,使得第一跟随者智能体可以追随移动的领导者智能体,并且可以通过改变与领导者智能体的间距对编队整体队形进行缩放控制。其次,提出一种了改进的分布式控制律,使得其他跟随者智能体可以仅通过两个相对方位信息完成编队飞行。然后,根据Lyapunov第二方法,构建了系统的能量函数,验证了所提出算法的稳定性。最后,通过数值仿真实验对所提算法进行了验证。仿真结果表明,基于该控制律多智能体系统能够完成编队集结、队形缩放和编队飞行的任务。     

多导弹编队保持控制器设计

针对多导弹编队保持控制器设计展开研究。首先利用多智能体系统技术研究领弹与从弹的协同优化组织结构;其次针对面向编队飞行的从弹控制律和实现算法进行重点研究,利用惯性坐标系下从弹与领弹的坐标得到相对坐标差值,进一步利用误差的动力学特性设计了三维条件下基于从弹的稳定的编队控制器,实现对从弹的速度控制、弹道偏角控制和弹道倾角控制,在领弹机动情况下,从弹与领弹的相对距离始终为指定的期望值;最后通过仿真实验验证此编队控制器具有较强的鲁棒性和稳定性。     

日地L2点航天器编队的分布式自主相对导航

为了实现航天器编队在日地L2点轨道的高精度相对导航,设计了一种分布式的自主导航方法。首先通过信息交互形成局部的测量构型,每颗卫星只基于邻居间的测量进行状态估计,降低了状态维数和计算量;然后根据相互估计的结果进行信息融合,提升估计的精度。在此基础上,对仿真结果进行了定量分析,给出了影响最终估计误差的主要因素测距精度、测量点间的基线与导航精度间的经验公式。在数值仿真中,所提方法达到了厘米量级定位精度和毫米每秒的测速精度。仿真结果表明：该方法有效,且对工程应用具有一定的参考价值。     

基于零空间方法的四旋翼无人机避障与协同编队控制

针对四旋翼无人机在编队飞行执行任务时可能遭遇障碍物问题,考虑多无人机避障及机间避撞的需求,提出 1种基于零空间方法的四旋翼无人机避障与协同编队控制算法。首先,建立四旋翼无人机动力学模型,并建立虚拟控制量简化控制模型;其次,基于零空间方法进行避障与协同编队控制算法研究,将无人机任务执行分解为目标趋向任务、避障避撞任务和协同编队任务,并根据优先级进行任务融合得到期望速度;再次,基于 PID方法设计控制律;最后,通过仿真验证所提控制算法的有效性。所提方法可保证四旋翼无人机在编队飞行中遭遇障碍物时的飞行安全。     

Fully distributed time-varying formation tracking control for multiple quadrotor vehicles via finite-time convergent extended state observer

This paper investigates a time-varying anti-disturbance formation problem for a group of quadrotor aircrafts with time-varying uncertainties and a directed interaction topology. A novel Finite-Time Convergent Extended State Observer (FTCESO) based fully-distributed formation control scheme is proposed to enhance the disturbance rejection and the formation tracking performances for networked quadrotors. By adopting the hierarchical control strategy, the multi-quadrotor system is separated into two subsystems: the outer-loop cooperative subsystem and the inner-loop attitude subsystem. In the outer-loop subsystem, with the estimation of disturbing forces and uncertain dynamics from FTCESOs, an adaptive consensus theory based cooperative controller is exploited to ensure the multiple quadrotors form and maintain a time-varying pattern relying only on the positions of the neighboring aircrafts. In the inner-loop subsystem, the desired attitude generated by the cooperative control law is stably tracked under a FTCESO-based attitude controller in a finite time. Based on a detailed algorithm to specify the cooperative control protocol, the feasibility condition to achieve the time-varying anti-disturbance formation tracking is derived and the rigorous analysis of the whole closed-loop multi-quadrotor system is given. Some numerical examples are conducted to intuitively demonstrate the effectiveness and the improvements of the proposed control framework.     

Attitude control of a satellite with redundant thrusters

Redundant thrusters are generally used for a reliable attitude control system. Also, redundant thrusters yield a better performance if they are used appropriately. In this paper, the authors propose an efficient redundancy management algorithm to reduce the fuel consumption. The algorithm is based on a linear programming problem which is a constrained optimization problem. For the algorithm, a cost function is defined as a quantity related to the fuel consumption for a maneuver. The independent variables are the thrusters' on-times which are control input variables of a satellite dynamic model. The advantage of the proposed method is verified by numerical examples. The examples show that the proposed method consumes less fuel than an existing method for a given maneuvering command. A sub-optimal algorithm is also discussed for an onboard computation. The proposed algorithm is applied to two maneuvers: move-to-rest and rest-to-rest. This is verified by a numerical simulation.     

Optimal Precession Control of Randomly Perturbed Spin-Stabilized Satellite

Dynamics of the satellite angular momenta is modeled by ordinary differential equations with additive white noise. A feedback controller er is desired to maintain tolerable satellite momenta and to economize ze the fuel consumption. The stochastic optimal control problem is transformed into an equivalent deterministic optimization problem involving a parabolic partial differential equation. Necessary optimality y conditions are used to develop a computation algorithm. Results regarding optimal controls, expected costs, and confinement probabilities in different noisy environments are presented.     

应用旋转矩阵的卫星姿态输出反馈机动控制

针对卫星姿态机动控制问题,提出一种只利用向量测量信息的无角速度反馈的输出反馈控制方法。卫星姿态的指向直接通过旋转矩阵进行描述,而不是先进行参数化过程,避免了由欧拉角、修正的罗德里格参数（MRPs）与四元数等姿态描述方式产生的奇异问题与退绕问题。首先,通过向量测量信息与一组期望姿态向量,引入一个新的姿态指向误差向量,并对其性质进行分析。其次,进一步结合主导滤波器的思想,设计了无需角速度信息的卫星姿态机动控制器,并应用Lyapunov理论,对闭环系统的全局稳定性进行了严格的证明。最后,对所提出的控制算法进行了数值仿真,其结果验证了所设计的输出反馈控制算法的可行性和有效性。     

基于信息一致性的无人机紧密编队集结控制

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、准确地分配给每架无人机。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略进行了仿真,验证了其合理性与有效性。     

基于循环追踪控制的卫星编队构形调整控制律设计

卫星编队控制问题中，分布式控制优于主从式控制，在编队控制中应用日益广泛。提出了一种基于循环追踪算法的分布式控制策略，分析了该方法的优势。由于循环追踪算法存在编队中心由初始几何中心固定并与运动过程无关的弱点，引进了虚拟灯塔导引进行联合控制实现编队中心可变。建立了三维空间相对运动数学模型，设计非线性循环追踪算法与虚拟灯塔导引联合控制律，对全员联合控制与单星联合控制其余卫星采用非线性循环追踪控制两种方案的计算结果进行比较。结果表明，全员联合控制律的控制方案优于仅单星采用联合控制的方案，两种方案均可实现卫星编队按指定构形运动。     

基于变结构控制器的敏捷卫星姿态机动方法

随着遥感卫星观测能力的逐步提升,对卫星敏捷机动能力提出了更高的要求。针对敏捷卫星大角度姿态机动问题,以6个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)组成五棱锥构型的姿态控制系统执行机构,在构建敏捷卫星姿态运动数学模型以及设计SGCMG系统操纵律的基础上,对卫星绕Euler轴进行姿态机动的角轨迹进行规划,并设计了一种基于误差四元数与误差角速度的变结构控制器。仿真及在轨验证结果表明,该控制器能够完成规划轨迹的良好跟踪且具有较强的鲁棒性,研究成果对敏捷卫星姿态控制系统的设计具有重要的参考意义。     

Coordinated attitude control for flexible spacecraft formation with actuator configuration misalignment

This paper investigates the coordinated attitude control problem for flexible spacecraft formation with the consideration of actuator configuration misalignment. First, an integral-type sliding mode adaptive control law is designed to compensate the effects of flexible mode, environmental disturbance and actuator installation deviation. The basic idea of the Integral-type Sliding Mode Control (ISMC) is to design a proper sliding manifold so that the sliding mode starts from the initial time instant, and thus the robustness of the system can be guaranteed from the beginning of the process and the reaching phase is eliminated. Then, considering the nominal system of spacecraft formation based on directed topology, an attitude cooperative control strategy is developed for the nominal system with or without communication delay. The proposed control law can guarantee that for each spacecraft in the spacecraft formation, the desired attitude objective can be achieved and the attitude synchronization can be maintained with other spacecraft in the formation. Finally, simulation results are given to show the effectiveness of the proposed control algorithm.