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。     

联合连通拓扑下多无人机编队控制

针对在联合连通拓扑条件下的多无人机系统,研究了具有二阶动力学系统模型的多无人机系统时变编队控制问题。基于一致性理论,设计了一致性控制器,将联合连通拓扑条件下的编队控制问题简化为低阶时间平均系统的渐进稳定性问题。利用Lyapunov函数证明了所设计的控制器能够实现编队控制,并利用线性矩阵不等式(LMI)方法给出了控制器的设计算法。在三维空间中,对多无人机系统进行了仿真,验证了所设计的一致性控制器能够使得多无人机系统在联合连通拓扑条件下形成时变编队。     

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。     

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。     

软管连接约束下的加油机/无人机编队跟踪控制

在自主空中加油任务中,针对受油无人机（UAV）与加油机对接后形成的软管约束下的编队跟踪控制问题,提出一种基于领航-跟随的加油编队跟踪控制方法。首先,建立软管约束下加油编队运动学/动力学模型。然后设计非奇异终端滑模编队快速收敛控制器,以满足软管约束下加油编队的快速收敛需求;再考虑复杂气流和软管未知扰动,结合扩张状态观测器和PI型动态逆控制,设计无人机轨迹跟踪控制器,并基于Lyapunov稳定性分析证明闭环系统可实现有限时间的快速稳定。最后,通过数值仿真来验证所设计加油编队控制方法的有效性。     

异构多智能体系统分组输出时变编队跟踪控制

空地协同控制是前沿的热点研究之一,以无人机、无人车为代表的空地智能体动力学模型的差异为研究带来了挑战。研究了高阶异构多智能体系统在有向拓扑条件下的分组输出时变编队跟踪控制问题,提出了虚拟领导者、分组领导者以及跟随者组成的三层协同控制架构。虚拟领导者用于规划整个多智能体系统的状态轨迹,分组领导者跟踪虚拟领导者所提供的轨迹信息,并相互协作以实现分组间的协同配合。跟随者跟踪分组领导者的输出并实现期望的输出编队。在有向通信拓扑结构条件下,基于局部邻居间的相对信息、观测器理论和滑模控制理论构造了控制协议,利用Lyapunov稳定性理论证明协议的有效性。数值仿真结果表明提出的方法能够实现无人机、无人车等异构智能体的空地协同,具有较好的工程应用价值。     

基于小脑模型关节控制器的无人机集群快速终端滑模容错控制

针对受执行器故障和外界干扰影响的集群无人机（UAV）协同编队控制问题，提出了一种自适应快速非奇异积分滑模（FNISM）容错控制（FTC）方法。为使集群无人机在执行任务时具有良好的协同跟踪性能，通过对无人机实际飞行情况的分析，考虑了无人机编队飞行时的执行器故障和尾涡扰动等对跟踪性能的不利影响。采用小脑模型关节控制器神经网络（CMANN）来估计并消除外部干扰的影响，同时运用CMANN逼近补偿执行器故障。研究表明：所提出的容错控制方案可以保证无人机编队闭环系统在故障情况下的最终一致有界稳定，并且可以通过减小滑模设计参数提高收敛速度，通过增大虚拟和实际控制器参数提高控制精度。4架无人机的集群编队在该方法、基于径向基神经网络（RBFNN）的鲁棒动态面容错控制、比例微分（PD）滑模容错控制3种方法下的对比仿真结果表明该方法在无人机集群编队出现故障时具有更优异的协同控制性能。     

多无人机编队队形保持优化控制仿真研究

采用多无人机编队保持队形的优化控制可以通过调节较少参数使各无人机能够精确跟踪领航无人机,达到稳定编队队形的目的。以简化的自动驾驶仪模型作为编队保持控制系统的内回路,基于以长机为参考的旋转坐标系建立相对运动学模型,采用全局渐近稳定控制方法设计了多无人机编队保持控制器。经过仿真验证,该控制器实现了长机在三维空间机动飞行时僚机能够迅速跟踪长机并保持编队队形的稳定,且响应速度和跟踪精度较为理想。仿真结果表明,该控制器能够实现多无人机编队队形在三维空间下的保持。     

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...     

面向无人机空中加油紧密编队的鲁棒控制方法

针对无人机空中加油紧密编队系统鲁棒控制问题，提出了一种基于障碍函数的自适应干扰观测器的分布式鲁棒编队控制方法。对固定翼无人机外环动力学模型进行转换，构造了具有非匹配和匹配扰动的二阶多体系统简化模型，并基于障碍函数设计了相应通道的自适应干扰观测器；利用邻机状态信息定义了相应的一致误差函数，在此基础上，基于编队系统通信拓扑结构，引入干扰补偿机制，开发了空中加油无人机紧密编队系统分布式鲁棒控制器，以实现理想的异构无人机编队跟踪控制性能。基于Lyapunov稳定性理论，分析了闭环系统的稳定性和收敛性。最后，通过将所提方法应用在由不同型号的1架加油机和2架受油机构成的编队系统上，进行数值仿真验证。所得到仿真结果与理论分析一致，验证了设计的干扰观测器和控制器的有效性。     

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...     

固定翼无人机编队集结控制算法研究

针对固定翼无人机协同作战时的编队集结问题，提出了一种新的路径规划和位置分配方法，并设计了包括航迹跟踪、高度保持和速度控制在内的自动驾驶仪。该路径规划算法通过矩阵迭代得到一组较优的目标点分配方案，满足总航程较小和同时到达约束。根据得到的各无人机飞向目标点的航迹，算出无人机编队集结的代价矩阵。在每架无人机确定了应飞航路后，开始沿航路飞向目标点，在此过程中，纵向采用高度保持自动驾驶仪，横向采用航迹跟踪自动驾驶仪，控制无人机按规定航迹飞行。速度调节自动驾驶仪可根据速度指令调节油门大小加减速，跟踪上目标速度，进而实现编队集结。仿真结果验证了所提出的编队集结控制方法的有效性和可行性。     

Virtual target guidance-based distributed model predictive control for formation control of multiple UAVs

The paper proposes a Virtual Target Guidance (VTG)-based distributed Model Predictive Control (MPC) scheme for formation control of multiple Unmanned Aerial Vehicles (UAVs). First, a framework of distributed MPC scheme is designed in which each UAV only shares the information with its neighbors, and the obtained local Finite-Horizon Optimal Control Problem (FHOCP) can be solved by swarm intelligent optimization algorithm. Then, a VTG approach is developed and integrated into the distributed MPC scheme to achieve trajectory tracking and obstacle avoidance. Further, an event-triggered mechanism is proposed to reduce the computational burden for UAV formation control, which takes into consideration the predictive state errors as well as the convergence of cost function. Numerical simulations show that the proposed VTG-based distributed MPC scheme is more computationally efficient to achieve formation control of multiple UAVs in comparison with the traditional distributed MPC method.     

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.     

集群无人机队形重构及虚拟仿真验证

队形重构是集群无人机（UAV）控制的重要问题，指无人机按照要求安全、无碰撞地从一个队形变换到另一个队形，其难点在于快速规划最优安全轨迹并控制无人机进行轨迹姿态的高精度跟踪。针对集群无人机队形重构的上述问题，首先，基于CAPT（Concurrent Assignment and Planning of Trajectories）算法，解决了多无人机的目标分配和轨迹生成的实时性问题，实现了集群无人机的最优安全路径规划；其次，提出一种有限时间多变量积分滑模连续控制算法，解决了无人机轨迹姿态的高精度跟踪问题，并通过MATLAB仿真验证了该控制算法的有效性；最后，为了更加真实直观地演示无人机三维仿真效果，建立了基于Gazebo-ROS的无人机仿真平台，实现了12架四旋翼无人机队形重构"建模-仿真-可视化"的一体化仿真演示，验证了上述路径规划算法和轨迹姿态控制算法的有效性。     

基于Leader-Follower编队的无人机协同跟踪地面目标制导律设计

对地面目标的自动跟踪是无人机在任务应用阶段需要解决的重要问题之一,多无人机协同跟踪能够提高对目标运动状态的估计精度并降低目标丢失的概率,因而具有重要研究意义。本文提出了一种基于Leader-Follower编队的无人机协同跟踪制导方法,解决了传统Standoff跟踪模式对地面目标的速度范围限制问题。首先,通过控制无人机的航向不断趋近于地面目标牵连跟踪圆切线方向的方法设计了Leader无人机自动跟踪地面目标的制导律并完成了稳定性证明;其次,通过控制Follower无人机的速度和航向角逐渐趋近于Leader无人机速度和航向的协同跟踪策略,分别设计了Follower无人机自动跟踪Leader无人机的制导律和编队相位协同制导律并完成了稳定性证明;最后,分别针对静止目标、匀速直线运动目标和变速运动目标的跟踪问题进行了仿真验证,结果表明所提出的制导方法能够实现对不同运动状态地面目标的自动协同跟踪,并且跟踪性能优于基于李雅普诺夫向量法的制导方法。     

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.     

基于群智机理的集群防碰撞控制

在执行作战任务以及民用中,无人机集群由于具备高可靠性和高效费比的特点而受到广泛关注;随着城市低空空域的开放,作战环境的动态复杂性剧增,对无人机集群防碰撞提出了严峻的挑战。针对无人机集群执行任务时的编队个体之间防碰撞以及遭遇突发障碍时的集群防碰撞问题,提出了基于群智机理的集群防碰撞控制方法。通过引入力学概念,设计了集群内部吸引力、排斥力以及编队构型力的模型;通过集群个体间的信息共享以及类脑知识发育,构建了基于群信息共享和类脑反射的无人机防碰撞模型。仿真结果表明：所提集群控制方法提高了集群的集结效率,而且在遭遇突发障碍时能够规避动态障碍,再次完成编队重构;群智机理的引入缩短了无人机集群面临突发障碍时的反应时间。