多无人机固定时间协调路径跟踪控制

Cooperative control of multiple UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) has been one of the research hotspots in control community and has attracted significant attention in recent years. As a result, many new approaches, specifically the integrated guidance and control based coordinated control, have been developed and applied successfully in real-life engineering. To promote the robustness and coordinated flight performance of multi-UAVs control systems, this project studies the general control structure and control approach suitable for multiple coordination tasks, i.e., inner-outer loop structure based fixed-time coordinated path following control, which includes the four aspects: (1) implicit function based coordinated path-following control to achieve the separation of space and temporal design for the outer guidance loop; (2) multi-variable fixed-time terminal sliding mode control to prescribe the inner-outer loop time scale off-line and improve the robustness and rapidity of the closed-loop system responses; (3) implicit function based path planning to achieve the flexibility of coordination tasks and the robustness to the quality of network communication for the UAVs; (3) real-time coordination flight tests of small multiple quadrotors to validate the effectiveness of the fixed-time coordinated path-following control.

多无人机协调控制是当前飞行控制领域中非常活跃的研究热点之一，近几年在国际上吸引了越来越多的关注，尤其是基于制导控制一体化技术的协调飞行控制，已有不少理论研究成果出现并成功得到了实际应用。本项目以提高多无人机控制系统的鲁棒性能和协调飞行品质为目的，探索适合多种协调任务的通用结构和控制方法，即基于内-外环控制结构的固定时间协调路径跟踪控制，具体包括四个方面：第一，基于隐函数路径跟踪控制方法的协调控制，实现制导外环空间和时间设计任务的解耦；第二，多变量固定时间终端滑模控制，实现内-外环时标的离线规划和系统响应的鲁棒快速性；第三，基于隐函数的路径规划技术，提高无人机协调任务的灵活性和系统对通信质量的鲁棒性；第四，小型四旋翼无人直升机协调飞行实验，验证固定时间协调路径跟踪控制方法的有效性。

多无人机的协调控制是当今飞行控制研究领域中备受关注的热点问题，针对如何提升多无人机控制系统的鲁棒性和协调飞行品质等问题，研究适合多种协调任务的通用结构以及相应的控制方法便具有重要意义。本项目针对这类协调控制问题进行了深入的研究，主要包括以下几个方面：1）基于滑模控制方法以及隐函数路径表示法，提出多无人机系统的平面一致性路径跟踪控制算法及平面协调路径跟踪控制算法，解决了多无人机系统的平面一致性控制和协调控制问题，同时保证所有闭环信号是渐近稳定的；2）提出一种新的基于观测器的固定时间控制算法，解决了带有匹配和非匹配干扰的一般线性系统鲁棒固定时间镇定问题，同时证明了带有非匹配干扰的闭环系统状态的最终有界性，并给出了一个与初始条件无关的系统收敛时间上界；3）考虑系统存在输入延迟的情况下，分别研究无向图和有向图连接的多无人机系统固定时间编队控制问题。同时，就这两个问题分别提出了非线性固定时间编队控制算法，并利用Lyapunov函数推导出相应的调节时间，最后给出了一个与初始条件无关的编队调节时间估计值上界的显示表达形式。通过本项目的研究，为提高多无人机控制系统的鲁棒性能和协调飞行品质提供了有效的控制系统设计新方法。