无人机领航—跟随编队控制方法研究

孙浩楼 张朋

摘要：随着自动化技术和无线通信技术的发展，使得多智能体的研究成为研究的热点，其中多个无人机所组成的集群系统通过协同控制可以完成单架无人机所不能完成的任务而成为近年来研究的热点。该文主要研究了多智能体编队飞行控制方式中的领航——跟随编队控制算法，并仿真验证了该方法的有效性。从仿真结果可以看出，编队控制器可以使无人机在有限的时间内收敛，证明了所设计的编队控制器的可靠性。

关键词：四旋翼无人机；编队飞行；领航——跟随；Lyapunov函数

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-5039（2018）17-0256-03

Abstract： With the development of automation technology and wireless communication technology， the research of multi-agent becomes a hot research area. Among them， the cluster system composed of many UAVs can accomplish the unmanned aerial vehicle The task has become a hot spot in recent years. In this paper， we mainly study the pilot-following formation control algorithm in multi-agent formation flight control and verify the effectiveness of the method. From the simulation results， it can be seen that the formation controller can make the UAV converge for a limited time， which proves the reliability of the designed formation controller.

Key words： Quadrotor UAV； formation flight； pilot-following； Lyapunov function

1 引言

近年來，随着人们对于任务需求的日益提升，单一的无人机已经无法满足人们的日益需求，因此多无人机的编队开始备受人们关注。在日常生活中，人们经常会发现动物的编队行为，例如鱼群的洄游和大雁的迁徙。通过编队行为，可以很好地避免单个个体受到攻击的可能性，同时，也会降低运动过程的阻力。由于单个个体在编队中存在原来没有的优势，因此，许多学者都以自然界中的动物编队行为为基础，对多无人机的编队及编队控制算法进行了研究。而在多智能体的编队方式中，领航——跟随方式是编队算法中一种最为常用的编队算法，在领航——跟随编队控制算法中，只需要让跟随无人机与领航无人机保持期望的规律运动即可。

2 问题描述

为了能够满足领航——跟随飞行的编队需求，需要设计一个编队控制法则，它的主要作用是使Leader与Follower之间保持一个理想的距离。接下来定义惯性坐标系[j]，Leader的机体坐标系为[L]，最后定义Follower的机体坐标系为[F]，它们之间的关系图1所示。

引入饱和函数的主要原因是无人机系统是一个非线性欠驱动的高耦合系统，通过饱和函数的阀值作用增强对外界扰动的抵抗能力，以减轻外界变化对与无人机的影响。在实际的应用过程中，在无人机输入端都存在着大量的饱和函数来限制着无人机的输出力矩，从而来增强无人机的稳定性和抗干扰能力。因此，接下来采用饱和函数的设计思想来完善控制器的设计，其主要设计思路如下：

6 结论

通过上述的仿真图可以看出，编队控制器可以使无人机在有限的时间内收敛，因此可以知道无人机可以保持期望的队形飞行，证明了所设计的编队控制器的可靠性。

在多智能体的编队方式中，领航——跟随方式是编队算法中一种最为常用的编队算法，因此本文研究了领航——跟随编队控制算法的有效性，从仿真结果可以看出该方法可以有效地实现编队飞行，同时也验证了文中设计的编队控制器的可靠性。

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