有向通信拓扑和时延条件下的无人机集群时变编队控制

针对无人机（UAV）集群在有向通信拓扑和存在通信时延条件下的时变编队控制问题进行了研究。建立了无人机集群二阶离散时间系统模型，基于无人机自身实时信息和相邻无人机带通信时延的状态信息，设计了分布式编队控制协议。通过理论分析，得到了无人机集群能够实现时变编队的充要条件，给出了可行的期望编队的表达式。在集群通信拓扑有生成树的条件下，分析了控制协议中待定参数和状态更新周期满足的耦合约束条件，并给出了参数设计的流程。仿真结果表明:即使在较大的通信时延下，所设计的控制协议也能实现无人机集群时变编队控制，验证了理论分析的正确性和有效性。      

二阶多智能体系统自抗扰编队跟踪与避撞控制

在多智能体编队的目标跟踪任务中,智能体受环境中的障碍物的遮挡作用会丢失目标,而外部扰动会影响系统的时变编队跟踪的控制效果。为此,研究了这两种因素同时存在情况下的二阶多智能体系统时变编队跟踪和避撞控制。采用基于目标跟踪优先级的切换拓扑控制策略以实现在障碍物遮挡环境中对目标的持续跟踪,根据自抗扰理论设计包含扰动补偿项的编队跟踪控制器。首先,基于一致性方法提出切换拓扑下自抗扰时变编队跟踪控制协议,并给出一种基于跟踪微分器的编队指令生成方法;其次,设计了求解控制参数的算法并给出协议作用下系统的稳定性分析和证明;然后,基于人工势场法设计避撞控制协议;最后,提出障碍物遮挡环境下自抗扰时变编队跟踪控制协议。仿真实验结果表明:所设计的控制协议在上述两种因素存在时仍具有良好的控制效果。      

无人集群系统时变编队H∞控制

针对有向通信拓扑网络下具有通信时滞与外部干扰的无人集群系统（AUSS）时变编队H_∞控制问题进行了研究。首先,基于AUSS期望编队构型信息、无人机（UAV）实时状态信息以及通信UAV之间带通信时滞的状态误差信息提出了AUSS的编队控制方法,通过变量替换将AUSS的编队控制问题转换成低维闭环系统的渐近稳定问题,并以线性矩阵不等式（LMI）形式给出了系统稳定的充分条件与最大允许通信时滞的计算公式。其次,通过构造Lyapunov-Krasovskii（L-K）泛函,证明了存在通信时滞与外部干扰条件下AUSS能够实现时变编队。最后,通过数值仿真验证所设计方法的准确性与有效性。      

变时延网络控制系统的鲁棒故障检测

针对具有时变时延的网络控制系统故障检测问题,提出了一种基于鲁棒H_∞思想的故障检测滤波器设计方法.将鲁棒H_∞故障检测问题归结为寻找滤波器参数矩阵,使得滤波系统内稳定并且满足鲁棒H_∞性能指标.根据残差评价函数和故障阈值判断系统是否存在故障.假设时变时延的上下界已知.基于时延相关Lyapunov-Krasovskii泛函方法给出了系统内稳定并且具有H_∞指标的时延相关条件.在外部控制输入、外界干扰和故障信号有界的情况下,所设计的故障检测滤波器能够保证生成的残差信号有界.针对HiMAT（Highly Maneuverable Technology）飞行器设计了故障检测滤波器,并通过仿真分析验证了所提出方法的有效性.     

飞行器网络控制系统的多指标鲁棒故障检测

针对存在马尔可夫短时延且状态转移概率部分已知的网络环境,研究了飞行器网络控制系统的多指标鲁棒故障检测问题.传统马尔可夫跳变系统的故障检测方法是将故障、外部输入和未知扰动作为广义输入,采用一个H∞性能指标来进行故障检测滤波器的设计.由于该指标不具有明确的物理意义,为此需要研究多指标鲁棒故障检测滤波器的设计方法.通过将网络诱导时延描述为一个有限状态马尔可夫链,飞行器网络控制系统被建模为离散有限马尔可夫跳变系统.同时考虑残差对故障的敏感性和对未知扰动及外部输入的鲁棒性,以线性矩阵不等式的形式给出了多指标故障检测滤波器的存在条件和求解方法.最后通过数值算例验证了所提方法的有效性和优越性.     

拒止环境下基于"忠诚僚机"的护航策略

护航策略一直是各军事大国的重点研究内容之一,拒止环境具有强电磁干扰、强对抗博弈等特点,进而对护航策略提出了更高的要求。提出了一种基于分布式时变编队跟踪控制方法的护航策略,该策略中由高成本长机探测到敌方来袭导弹,在进行规避的同时,释放多个低成本僚机担任“忠诚僚机”。采用时变编队跟踪的控制方法,使僚机始终处于长机与敌方来袭导弹的视线轴上,必要时牺牲僚机以保全长机。针对敌方来袭导弹的方位角是全局信息,设计了分布式观测器对其进行估计。在拒止环境下,复杂电磁干扰带来通信时断时续,导致长机与僚机及僚机与僚机之间的通信拓扑存在切换。为应对电磁干扰对通信拓扑的破坏,提高抗电磁干扰能力,考虑僚机外部扰动和长机规避机动动作同时存在的情况,基于观测器理论、自适应控制理论和滑模控制理论,构造了具体通信拓扑切换机制的分布式控制协议,并利用Lyapunov理论证明了僚机采用该协议能够实现拒止环境下基于“忠诚僚机”的护航策略。通过仿真模拟导弹来袭场景,验证了所提策略的有效性。      

基于持续-保持机制的多智能体系统跟踪控制

考虑到实际应用中，由于外部干扰或通信能力有限，连续通信有时无法保证，研究了间歇通信下二阶多智能体的跟踪控制问题。在持续性通信无法保证的场景下，为了提升间歇通信下系统的收敛性能，引入非周期性的持续-保持控制机制，设计了一种面向二阶多智能体系统的一致性跟踪控制协议。基于矩阵论和图论知识，并结合双线性变换证明了非周期性间歇通信结构下系统可以实现一致性跟踪，进而得到了针对无向拓扑网络的一致性跟踪条件。仿真实验验证了理论结果的正确性。     

Nonlinear attitude tracking control for spacecraft formation with multiple delays

This paper addresses the attitude tracking control for spacecraft formation with delay free and communication delays. With help of the idea of sliding control, an adaptive attitude synchronization control architecture is established. Furthermore, by introducing a nonsmooth feedback function, a new class of nonlinear controllers for the attitude tracking of spacecraft is developed. Both parameter uncertainties and unknown external disturbances are dealt with via the kind of controllers. Finally, some simulation results are given to demonstrate the effectiveness and advantages of the proposed results.     

Energy-optimal reconfiguration of satellite formation flying in the presence of uncertainties

In this study, a two-step control methodology is developed for energy-optimal reconfiguration of satellites in formation in the presence of uncertainties or external disturbances. First, based on a linear deterministic system model, an optimal control law is analytically determined such that a satellite maneuvers from an initial state to a final state relative to another satellite. The structure of this optimal solution is predetermined and simply given by a linear combination of the fundamental matrix solutions associated with the original equations of relative motion. Only the coefficients are to be determined to satisfy given initial and final conditions. In the second step, an uncertain nonlinear formation system is considered and a robust adaptive controller is designed to compensate for the effects of uncertainties or disturbances that the formation system may encounter. Although the control strategy is inspired by sliding mode control, it produces smooth control signals, thereby avoiding chattering. Also, an adaptation law is added such that the uncertainty or disturbance effects are effectively and quickly eliminated without a priori information about them. The combination of these two controllers guarantees that the satellite accurately tracks the optimal path in the unknown environment. Numerical simulations demonstrate the effectiveness and accuracy of the proposed two-step control methodology, in which a satellite formation is optimally reconfigured under unknown environmental disturbances.     

Finite-time relative orbit-attitude tracking control for multi-spacecraft with collision avoidance and changing network topologies

This paper addresses the relative position tracking and attitude synchronization control problem for spacecraft formation flying (SFF). Based on the derived relative coupled six-degree-of-freedom dynamics, a robust adaptive finite-time fast terminal sliding mode controller is proposed to achieve the desired formation in the presence of model uncertainties and external disturbances. It is shown that the designed controller is effective for changing information exchange topology making it robust to node failure. Then, the artificial potential function method is employed to generate collision avoidance schemes to modify the controller such that inter-agent collision avoidance can be ensured during the formation maneuver, which is critical for practical missions. The stability of the overall closed-loop system is proved by using Lyapunov theory. Finally, numerical examples for a given SFF scenario are presented to illustrate the performance of the controller.     

一类线性不确定大系统的分散变结构控制

研究了具有参数摄动、关联影响和外界干扰等不确定性因素影响的线性大系统的分散控制问题,在假设系统不确定性有界且满足一定匹配条件的前提下,提出了一种分散变结构滑模控制算法,并给出了消颤方案和控制受限的解决方法.该算法结构简单计算量小,同时闭环系统具有较好的动态特性和较强的鲁棒性,数字仿真表明了该算法的有效性.      

多机械臂的分布式自适应迭代学习控制

针对拓扑结构为无向连通的多机械臂系统,提出了一种自适应与迭代学习相结合的分布式控制协议来实现整个系统对给定期望参考轨迹的一致性跟踪.通过引入一个适当的自适应迭代学习参数,所提自适应迭代学习控制协议能够克服机械臂系统中的干扰和模型不确定性,并且每个机械臂的自适应迭代学习控制(AILC)律仅需要利用其与邻居机械臂的相对交互信息.进一步,在只有一部分机械臂具有期望参考轨迹信息的前提下,该控制协议可以实现整个系统对期望参考轨迹的跟踪,同时能够保证轨迹跟踪误差与控制输入的有界性.此外,利用李亚普诺夫分析方法证实了所得结论的正确性,并且通过一个实例验证了所提自适应迭代学习控制协议的有效性.