切换拓扑下异构无人集群编队-合围跟踪控制

针对异构无人集群存在层内不同协同控制目标以及层间协同耦合的控制问题，提出了“编队-合围跟踪”控制的定义与框架，采用具有时变输入的跟踪-领导者来生成集群系统的整体参考轨迹，克服了现有编队-合围控制中无法有效控制集群整体宏观运动的缺陷。对于存在切换拓扑的高阶异构集群系统，基于分布式鲁棒自适应估计技术以及预先定义的合围控制策略，利用邻居局部信息交互构造了分布式编队-合围跟踪控制器，给出了分层耦合情况下控制器的多步设计方法。采用共同李雅普诺夫稳定性理论，证明了切换拓扑条件下异构集群实现输出编队-合围跟踪的充分条件。通过无人机-无人车异构集群的仿真例子，验证了所提出的编队-合围跟踪控制方法的有效性。     

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。     

无人机-无人车异构时变编队控制与扰动抑制

研究了无人机-无人车异构系统时变输出编队控制与扰动抑制问题，要求多无人机与无人车在受到未知外部扰动的情况下，保持设计的输出时变编队构型。首先，对无人机与无人车进行单体运动学与动力学建模，同时建立扰动模型，并引入代数图论概念，建立异构集群系统的协同控制模型。然后，对各无人机-无人车设计了具有分层架构的分布式时变输出编队控制器，包含基于一致性理论的编队中心估计项和基于内模原理的扰动抑制补偿项。进一步分析异构系统实现输出时变编队的可行性条件，给出了分布式编队控制器的参数选取算法，并证明了时变编队控制器构成的闭环系统的稳定性。最后，通过仿真算例来验证所设计的编队控制器的有效性。     

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。     

切换拓扑下无人机集群系统时变编队控制

针对多无人机(UAV)间通信拓扑可能发生变化的情况,研究了具有二阶积分特性的无人机集群系统的轨迹跟踪与时变编队控制问题。基于一致性方法设计了编队控制器,将编队控制问题转换成闭环系统的稳定性问题,引入了切换拓扑平均驻留时间的概念,并在此基础上利用线性矩阵不等式(LMI)方法,给出了控制器设计步骤。通过构造分段连续Lyapunov函数,证明了切换拓扑下无人机集群系统能够实现对指定轨迹的跟踪并且实现时变编队飞行。以三维空间运动的无人机集群系统为例进行了仿真验证,结果表明本文所提方法能够解决切换拓扑下无人机集群系统的轨迹跟踪与时变编队问题。     

固定翼无人机紧密编队的鲁棒协同跟踪控制

固定翼无人机（UAV）具有典型的欠驱动、非线性等特点,导致航点自主跟踪设计难度大,同时紧密编队飞行过程中无人机之间运动耦合与气动干扰明显,进一步增加了高性能控制设计难度。为此,本文针对固定翼无人机紧密编队飞行的航点自主跟踪问题,综合考虑轨迹平滑性、运动协同性和跟踪鲁棒性等需求,依托全驱系统建模方法提出了一种多层次鲁棒协同跟踪控制架构。该架构包括上层运动规划、中层协同滤波及底层鲁棒协同跟踪控制3个核心部分。上层运动规划根据离散航点指令,融合虚拟结构法和迭代线性二次型优化,实时生成可行、平滑的运动轨迹。在此基础上,为改善跟踪控制的瞬态性能,引入分布式协同滤波思想,对规划轨迹进行滤波处理,生成每架无人机个体的参考信号。最后,考虑到紧密编队中气动耦合与系统不确定性等挑战,设计了一种基于不确定性及干扰观测器的鲁棒协同跟踪控制方法,实现了编队轨迹的精确跟踪以及队形的可靠保持。所提出的鲁棒协同跟踪控制架构考虑了紧密编队飞行中的多种约束与挑战,实现了编队运动规划与跟踪控制的综合设计,可以有效提升系统自主性、协同性和鲁棒性。最后,通过5架固定翼无人机的紧密编队飞行仿真对所提方法进行综合测试,验证了方法的...     

自主多无人机的分散化协同控制

协同前提是无人机(UAV)平台间的通信和信息共享,无人机平台之间信息和计算是高度分布的,无人机平台的运动以及通信拓扑的变化,使得集中式协调控制结构很难实现。以最小通信量为基础的分散协同控制具有可扩展性、异构性和动态可重构性等特点,可靠性和鲁棒性较好。针对多无人机平台分散化协同的特点和要求,建立了集中和分散相结合的多无人机平台协同控制系统结构,集中式任务管理系统主要完成目标分配、通信管理和编队管理功能,分散式协同部分主要实现局部任务规划、协调策略及协调控制等功能。分别以多机协同目标跟踪、多机和多编队一致性协调、多机协同编队控制与重构等多无人机平台分散化协同控制技术为应用对象,探讨了分散化协调机制、策略、控制及其与信息之间关系。给出了部分算法的仿真结果。     

结合速度观测器和方向信息的无人机编队控制

针对现阶段基于方向信息的编队跟踪控制方法需要提前预知系统期望速度的问题,提出了基于分布式速度观测器的无人机群编队控制策略。通过速度观测器和基于方向信息的编队控制器的结合,解决了部分无人机在编队过程中无法直接获取速度信息的问题。系统的编队采用了领导者-跟随者结构,通过改变领导者的相对位置来完成缩放任务。控制器的设计引入了旋转矩阵来实现编队系统的旋转任务,然后通过Lyapunov方法证明了控制器的稳定性。最后通过仿真软件的缩放和旋转试验证明了控制策略的有效性。     

基于事件触发的异构多智能体最优包含控制

针对异构多智能体系统的输出包含控制问题，提出一种基于边的事件触发最优控制协议，保证所有跟随者的输出能进入到由领航者的输出所形成的凸包中。同时，使系统达到最优性能，最小化控制代价。考虑到不是所有的跟随者都可获得领航者的信息，提出一种基于边的分布式事件触发观测器，估计领航者输出形成的凸包内点的轨迹。设计加权代价函数评价包含控制的性能，并将输出包含问题转化为最优状态反馈控制设计问题。利用贝尔曼方程和黎卡提方程，给出异构多智能体系统最优输出包含控制的参数设计。选择不同类型的机器人构成多智能体系统，验证算法的有效性。     

基于Leader-Follower的多无人机编队轨迹跟踪设计

针对四旋翼无人机（UAV）群在轨迹跟踪过程中易受外界干扰而引起跟踪误差的问题，设计了基于Leader-Follower的多无人机协同编队轨迹跟踪控制方法。在该系统中，首先通过积分反步法（IBS）对所建四旋翼飞行器模型设计Leader无人机的轨迹跟踪控制器。其次设计了滑模控制（SMC）器，以控制Leader与Follower无人机实现期望的编队队形并同时跟踪参考轨迹。然后通过数值仿真验证了算法的有效性，仿真结果表明，系统具有良好的控制精度。最后通过视觉定位系统进行实验，结果表明所设计的控制器能够实现多个无人机轨迹跟踪和编队控制，所设计的算法具有可行性。     

Formation flight of fixed-wing UAV swarms: A group-based hierarchical approach

This paper investigates a formation control problem of fixed-wing Unmanned Aerial Vehicle (UAV) swarms. A group-based hierarchical architecture is established among the UAVs, which decomposes all the UAVs into several distinct and non-overlapping groups. In each group, the UAVs form hierarchies with one UAV selected as the group leader. All group leaders execute coordinated path following to cooperatively handle the mission process among different groups, and the remaining followers track their direct leaders to achieve the inner-group coordination. More specifically, for a group leader, a virtual target moving along its desired path is assigned for the UAV, and an updating law is proposed to coordinate all the group leaders’ virtual targets; for a follower UAV, the distributed leader-following formation control law is proposed to make the follower’s heading angle coincide with its direct leader, while keeping the desired relative position with respect to its direct leader. The proposed control law guarantees the globally asymptotic stability of the whole closed-loop swarm system under the control input constraints of fixed-wing UAVs. Theoretical proofs and numerical simulations are provided, which corroborate the effectiveness of the proposed method.     

Semi-global leader-following consensus-based formation flight of unmanned aerial vehicles

In this paper, we investigate a formation control problem of multi-agent systems(specifically a group of unmanned aerial vehicles) based on a semi-global leader-following consensus approach with both the leader and the followers subject to input saturation. Utilizing the low gain feedback design technique, a distributed static control protocol and a distributed adaptive control protocol are constructed. The former solves the problem under an assumption that the communication network is undirecte...     

Formation tracking control for time-delayed multi-agent systems with second-order dynamics

In this paper, formation tracking control problems for second-order multi-agent systems (MASs) with time-varying delays are studied, specifically those where the position and velocity of followers are designed to form a time-varying formation while tracking those of the leader. A neigh-boring relative state information based formation tracking protocol with an unknown gain matrix and time-varying delays is presented. The formation tracking problems are then transformed into asymptotically stable problems. Based on the Lyapunov-Krasovskii functional approach, condi-tions sufficient for second-order MASs with time-varying delays to realize formation tracking are examined. An approach to obtain the unknown gain matrix is given and, since neighboring relative velocity information is difficult to measure in practical applications, a formation tracking protocol with time-varying delays using only neighboring relative position information is introduced. The proposed results can be used on target enclosing problems for MASs with second-order dynamics and time-varying delays. An application for target enclosing by multiple unmanned aerial vehicles (UAVs) is given to demonstrate the feasibility of theoretical results.     

多无人机同时到达的分散化控制方法

多无人机(UAV)同时到达是典型的协同控制问题,在编队飞行、协同攻击中都有应用。以多无人机协同多目标攻击为应用背景,对多无人机同时到达问题进行了研究。考虑到战场环境的动态性和不确定性以及无人机自身的特点,提出一种适用于多无人机同时到达的分散化控制方法,其内容包括仅依靠局部信息交互的分散化控制结构和基于一致性算法的分散化控制策略。为方便操作员控制无人机群体的整体行为,分别设计了引入外部参考信号和虚拟Leader的分散化控制策略。根据路径规划和速度控制的不同特点将二者结合起来,利用它们的互补优势来应对路径误差和突发威胁等不利因素的影响。仿真结果表明,本文提出的分散化控制方法能够实现多无人机同时到达,并且具有很好的灵活性、鲁棒性、可靠性和可伸缩性。     

Distributed bearing-based formation control of unmanned aerial vehicle swarm via global orientation estimation

Most existing formation control approaches for Unmanned Aerial Vehicle(UAV)swarm assume that global position and global coordinate frame are directly available for each agent. To extend the application domain, this paper proposes a distributed bearing-based formation control scheme, without any reliance on global position or global coordinate frame. The interactions among UAVs are described by a directed topology with two-leader structure. To address the issue of unavailable global coordinate fr...     

Robust leaderless time-varying formation control for unmanned aerial vehicle swarm system with Lipschitz nonlinear dynamics and directed switching topologies

This paper tackles the robust leaderless Time-Varying Formation(TVF) control problem for the Unmanned Aerial Vehicle(UAV) swarm system with Lipschitz nonlinear dynamics, external disturbances and directed switching topologies. In comparison with the previous achievements on formation control problems, the UAV swarm system with Lipschitz nonlinear dynamics can accomplish the pre-designed TVF while tracking a pre-given trajectory which is produced by a virtual leader UAV in the presence of externa...