旋翼多无人机系统多目标拦截的制导、控制与优化

With mature developments of rotary-wing unmanned aerial vehicles (UAV), some UAVs were used to intrude into non-flight zones to perform tasks, threatening the security of human, properties and information. In this project, based on the rotary-wing multi-UAV system, we are aiming to research into guidance, control and optimization for intercepting multiple intruding targets to guarantee the security of human, properties and information. Main contributions include: (1) new guidance and control for the rotary-wing multi-UAV system to intercept multiple intruding targets; (2) a new direction-based strategy for avoiding inter-agent collisions and mis-interceptions; (3) optimal mission allocation of the multi-UAV system with respect to time-efficiency and energy-efficiency; and (4) new distributive model predictive control (MPC) for the multi-UAV system to address state and control constraints. Supported by this project, new strategies and techniques of guidance, control, collision avoidance, and mission allocation will be proposed, facilitating not only the developments of theories on autonomous guidance and control for multi-UAV systems, but also a new inter-disciplinary research on control, optimization, guidance, game theory, aerospace systems and energy systems, implying that the proposed project will be of great theoretical merits. Based on the results obtained in this project, the multiple intruding targets can be intercepted effectively, such that the security of human, properties and information can be guaranteed, indicating that this project will be of significant practical importance.

随着无人机技术的成熟应用，某些无人机被用于闯入禁飞区执行任务，对人身、财产和信息安全造成很大威胁。本项目以旋翼无人机为研究对象，研究同时使用多个旋翼无人机拦截多个入侵无人机的协调制导、控制及优化，从而保障人身、财产和信息安全。研究内容包括：（1）旋翼多无人机系统多目标拦截制导律和控制律；（2）旋翼多无人机系统基于视线方向的避障策略；（3）基于最优时间/能耗的旋翼多无人机系统目标分配；（4）状态和控制受限情况下的旋翼多无人机系统分布式模型预测控制。通过本项目的研究，提出新的针对旋翼多无人机系统多目标拦截的制导律、控制律、避障策略、最优目标分配策略，不仅能够丰富旋翼多无人机系统的自主制导和控制理论，而且是对控制、优化、制导、博弈、航空以及能源交叉学科的新探索，具有极大科学意义。基于本项目的研究成果，旋翼多无人机系统能有效拦截多个入侵无人机，保护人身、财产和信息安全，因此本项目具有很大实用价值。

本项目以旋翼无人机为研究对象，研究同时使用多个旋翼无人机拦截多个入侵无人机的协调制导、控制及优化问题，设计了应对不同拦截任务的制导律、控制律和优化方法。取得的主要成果包括：.1、对单个智能体拦截单个入侵目标的制导控制策略进行了研究。沿用传统的比例导引法的思路，采用最优化的方法设计制导律拦截目标，优化了拦截效率。对于带有加速度的机动目标，使用Lyapunov再设计方法以应对目标加速度，并避免抖振。.3、对多个智能体拦截单个入侵目标的协调制导控制策略进行了研究。拦截器之间采用分布式通信架构，以及有向的通信拓扑。设计协同制导律，保证各个拦截器到目标的相对距离在有限时间达到一致；考虑目标加速度，采用一种可避免抖振的滑模控制将目标机动项的影响在有限时间内消掉。.4、对多个智能体拦截多个入侵目标的目标分配和制导控制策略进行了研究。目标加速度时变且未知。采用观测器对系统中的非线性和目标机动项进行观测。基于分布式通信拓扑，以总耗时为最优化指标，采用混合整数线性规划的方法得到了最优目标分配方案。.5、选用单目相机作为视觉测量的传感器。在传统追踪问题的基础上加入相机模型，将目标在图像中的长度作为变量引入到系统中，用于估计无人机与目标间的相对距离。该方法在设计的过程中能够较好的抑制未知扰动和系统参数的不确定性，并且所提出的方法具有较低的保守性。.6、多无人机的避障问题可以抽象为无人机受空间位置约束。能够利用已有的约束优化算法，在改善动态过程的同时处理约束问题。本项目针对这一类问题，在前期研究的基础上，进一步的推进了有约束线性系统自适应模型预测控制理论研究。.7、研究了有约束条件下的分布式模型预测控制方法。该方法是对无约束分布式模型预测控制的进一步扩展。与现有的有约束分布式模型预测控制相比，本项目的研究基于更弱的前提条件，并且不需要多智能体之间传递预测信息序列。.受项目资助，项目组成员发表SCI论文总计12篇，EI会议论文7篇，获会议最佳论文提名奖1次，授权专利1项。项目组实现了预定的研究目标，取得了预期的研究成果。所取得的成果在旋翼无人飞行器制导与控制领域具有重要的应用前景。