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。     

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。     

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。     

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。     

基于自适应方法的多无人机编队队形控制

针对"长机-僚机"近距编队队形因风场扰动而不能保持期望队形的问题,首先,提出了一种自适应队形保持控制的方法,该方法可用于抵消因风场不确定性对无人机的横侧向和前行方向所产生的距离误差,同时能够保持无人机编队稳定飞行。其次,由于风场的不确定性会引起"长机-僚机"之间的动力学发生变化,因此设计了一种基于"长机-僚机"相对运动模型的自适应控制律用以估计风场在3个方向的大小,进而控制无人机之间的相对运动以消除风场不确定性所产生的距离误差并保持速度的一致性,最终实现保持期望的队形。再次,通过构建合理的李雅普诺夫函数,证明无人机编队在风场干扰下能够保持编队稳定飞行,同时"长机-僚机"之间相对横向、横侧向以及纵向的距离误差均接近零。最后,通过仿真验证：所提出的自适应控制方法具有良好的鲁棒性,这为工程实践提供理论依据。     

大规模UAV编队信息交互拓扑的分级分布式生成

UAV编队信息交互拓扑的优化设计是保证UAV编队安全性和任务执行高效性的重要基础。目前队形保持下UAV编队信息交互拓扑生成算法局限于小规模编队,且优化目标单一。针对这一问题,采用了分级分簇结构扩展信息交互拓扑层级,以满足大规模场景,同时以提高编队续航能力和减少编队总通信代价为组合优化目标,提出了基于最小树形图的分级分布式领航-跟随者编队信息交互拓扑生成算法,并通过OMNeT++进行了仿真验证。实验结果表明在考虑位置误差传递迭代时,分级分布式领航-跟随者编队的总通信代价明显低于传统领航-跟随者编队,且通过周期性更新簇首,网络能耗更加均衡,提高了编队续航能力;在80架UAV编队规模下,分级分布式领航-跟随者编队生成算法能够在0.3 s内求解完成,相比于传统领航-跟随者编队算法,求解效率提高了约2.5倍;在100架UAV编队规模下,分级分布式领航-跟随者编队生成算法能够在0.4 s内求解完成,而传统领航-跟随者编队由于位置误差的传递迭代已不能保持原有队形。     

带空间协同的多导弹时间协同制导律

针对多导弹在平面内从期望的弹目视线（LOS）相对方向同时击中固定目标问题,提出了一种带空间协同的多导弹时间协同制导律。基于平面内的导弹-目标相对运动方程,建立了带空间协同的多导弹时间协同制导模型;基于多智能体协同控制理论,在视线方向设计了分布式时间协同制导律,可保证所有导弹的打击时刻在有限时间内达到一致,在视线法向方向设计了分布式空间协同制导律,可保证所有导弹的相对视线角在有限时间内收敛到期望值;最后,通过仿真验证了所设计的协同制导律可使多导弹从期望的弹目视线相对方向同时击中目标。     

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。     

多导弹三维编队控制

 多导弹编队控制可极大提高多枚导弹协同作战的效能。重点研究了多导弹编队控制涉及的2个主要问题：编队结构问题和三维编队保持控制器设计问题。提出了改进的领弹-跟随弹编队模式,结合多级分布式控制策略,解决了领弹失效时队形无法保持的问题;设计了基于相对误差的三维非线性跟随弹编队控制器,得到相应的跟踪控制律。不管领弹如何机动,跟随弹与领弹的相对距离始终为指定的期望值,同时跟随弹的速度、航向角和滚转角也能与领弹保持一致,通过仿真验证了所设计的编队控制器具有鲁棒性和稳定性。     

基于反步推演法的多机编队队形重构控制

针对多无人机（UAV）集结期望的队形和达到稳态速度缓慢影响作战效率,基于反步推演法设计了一种协同导引控制律,用于解决多无人机快速队形重构和快速达到稳定状态。本文以一架虚拟长机为中心,3架僚机在3个顶点组成的三角形编队作为被控对象,且长机的速度方向作为编队的前行方向,僚机跟随长机编队飞行。采用长机导引机制,建立每架僚机的误差动力学模型;基于图论建立任意两架无人机之间的通讯模式,通过反步推演法得到多无人机编队队形保持的导引控制律。通过构建合理的Lyapunov函数,证明所提出的控制方法在编队集结和队形保持的有效性,同时将所提出的方法与模型预测控制（MPC）方法和拉普拉斯方法进行对比,更进一步验证所提方法有效性。仿真结果表明：每架无人机不仅能够按照期望的队形飞行,而且以动态响应快和稳态误差小收敛于虚拟长机的运动轨迹。     

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...     

主-从多飞行器三维分布式协同制导方法

针对三维空间下的多飞行器协同打击问题,基于主飞行器和从飞行器架构提出了两种分布式协同制导方法,实现了所有飞行器最终对目标的同时命中。方法1在定义协调变量的基础上,通过对所选协调变量的一致性协同控制使从飞行器状态同步于主飞行器状态。方法2提出了分布式观测器对主飞行器的状态进行准确估计,各从飞行器通过跟踪观测的主飞行器状态信息实现命中时间的一致。理论分析表明,两种方法都可保证多飞行器同时命中目标。仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。     

异构多导弹系统自适应分布式协同制导

针对异构多导弹系统的分布式协同制导问题,在传统比例导引律的基础上设计出一类领航跟随分布式协同制导律。运用代数图论、分布式网络同步原理以及非线性系统一致性理论,领弹采用基于固定系数的比例导引律,从弹采用基于可变系数的参数自适应比例导引律。该领航-跟随分布式自适应协同制导律可使领弹和从弹实现对目标的同时攻击,且各相邻导弹间仅传输各自的可测状态信息,算法具有较低的通信代价和较好的可扩展性。最后给出了相关数值仿真算例,仿真结果验证了控制算法的有效性。     

Adaptive distributed observer design for containment control of heterogeneous discrete-time swarm systems

This paper develops both adaptive distributed dynamic state feedback control law and adaptive distributed measurement output feedback control law for heterogeneous discrete-time swarm systems with multiple leaders. The convex hull formed by the leaders and the system matrix of leaders is estimated via an adaptive distributed containment observer. Such estimations will feed the followers so that every follower can update the system matrix of the corresponding adaptive distributed containment observer and the system state of their neighbors. The followers cooperate with each other to achieve leader–follower consensus and thus solve the containment control problem over the network. Numerical results demonstrate the effectiveness and computational feasibility of the proposed control laws.     

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.     

具有动态领导者的多智能体系统分组一致性控制

对一类具有动态领导者的非线性多智能体系统的一致性进行研究，解决了领导-跟随一致性控制问题。首先，考虑到多目标任务中广泛存在的合作-竞争机制和领导者的控制输入非零的情况，基于邻居智能体的相对状态信息，设计了一类分布式的分组一致性控制器。通过在所设计的控制器中增加补偿项，解决了由领导者非零控制输入引出的问题。引入了一类Lipschitz-like条件，解决了非线性项在实现分组一致时所带来的困难。其次，利用图论和构造Lyapunov函数，通过求解代数Riccati方程得出了系统实现分组一致性的充分条件，并基于所设计的控制器实现了多智能体系统动态领导-跟随的分组一致性控制。最后，通过数值仿真和结果分析验证了所提出控制方案的有效性和可行性。