多无人机分布式有限时间编队控制技术研究及其应用

Cooperative formation control of multiple unmanned aerial vehicles (UAVs) has found broad application prospects in military and civilian fields, and is also a hot research topic in the aviation field. The important features adopted to evaluate the performance of a cooperative formation control approach are stability, capability to reject disturbances, convergence rate and convergence time of the concerned multi-UAV control system. Such features are the main focus of finite-time control. The research project investigates the distributed finite-time formation control problem for multiple UAVs described by Takagi–Sugeno (T–S) fuzzy dynamic models. A new framework and novel control approaches will be developed based on the information consensus theory. Moreover, a communication network topology will be designed to reduce communication costs, and the performance of the proposed formation control approaches will be analyzed under fixed topologies and switching topologies respectively. The theoretical results will then be applied to a more general class of multi-UAV systems instead of a specific class of multi-UAV systems. The success of this research project will provide answers to a number of key and fundamental issues on formation control problems.

多无人机协同编队控制在军事和民用领域均有广阔的应用前景，也是目前航空领域的研究热点。多无人机编队控制系统的稳定性、抗干扰能力以及系统状态的收敛速率和收敛时间是衡量编队飞行控制方案设计优劣的重要特性，而有限时间控制问题所关心的正是系统的这些基本特性。本项目将研究多无人机分布式有限时间协同编队控制问题，利用多智能体系统信息一致性理论，探讨不同拓扑条件下编队控制系统的动态性能和稳定性，建立基于T-S模糊模型的多无人机分布式有限时间协同编队控制问题的理论框架，使得研究成果适用于一般性而非特定的多无人机系统，进一步扩展和提高协同控制问题的应用范围和实用价值。

本项目以无人飞行器集群系统为研究对象，以集群目标跟踪有限时间编队控制问题为主要研究内容，以多智能体信息一致性理论、有限时间李雅普诺夫稳定性理论、非线性系统理论等方法为基础，结合自适应控制、动态增益控制、模糊逻辑系统逼近性质等手段，通过建立有限时间集群编队分布式控制框架，在此基础上，进一步将该控制框架从仿射系统推广到更一般的非仿射纯反馈非线性系统，与此同时，考虑多种性能约束、外界环境干扰和模型不确定性等条件下的无人飞行器集群系统有限时间编队控制问题，给出相应控制律设计，并建立闭环系统稳定性成立条件。本项目取得的重要结果和其科学意义以及应用前景包括：1）构建出一种有限时间控制框架，改进了目前有限时间控制算法或不连续、或大量使用系统状态分数阶、或满足齐次性假设的问题。2）构建出兼顾有限时间控制、协同控制和自适应反步模糊控制的分布式控制框架，为协同控制技术的发展奠定坚实的理论基础；3）将有限时间协同编队控制方法从仿射系统推广到了更一般的非仿射纯反馈非线性系统，适用于更多类型的飞行器，扩展了编队控制方法的应用范围；4）通过分析无人飞行器的动态特性，设计出具有级联结构的有限时间编队控制方法，更加符合飞行器运动特点；5）在通信拓扑有向/切换且满足生成树协议时，无人飞行器集群可以在有限时间内完成期望的编队任务，一定程度上放宽了对通信拓扑结构的要求；6）在通信拓扑满足生成树协议且初始编队误差满足距离约束时，无人飞行器在完成编队任务的同时，能一定程度上避免碰撞并保持通信连接；7）在通信拓扑满足生成树协议且控制输入存在饱和约束时，无人飞行器在控制效力有限的情况下依然可以完成编队任务。本项目综合考虑了多种实际场景约束下的有限时间编队控制问题，研究成果不仅能增强无人飞行器集群对复杂工作环境的适用性，为研究编队飞行问题提供更精确的理论工具，更能为我国在无人飞行器集群编队的军事应用方面争取技术优势。