无人机编队控制律优化与设计

第一章无人机编队控制律优化与设计

1.1引言

无人机编队的主要飞行阶段如图3.1所示，包括各机自动飞行、编队集结、队形保持和编

队解散过程。在编队自动飞行阶段，各无人机节点独立执行控制任务，此时编队尚未形成，各

无人机执行的控制律和单机飞行一样。编队集结为正在形成编队的过程，目的是让各无人机收

敛于相对近距状态，为后阶段的队形保持创作有利的距离优势。队形保持是编队飞行的核心环

节，本文的编队队形保持的控制策略采用长僚机模式，其详细内容会在3.2节中介绍。在编队

保持阶段，长机依旧为自动模式飞行，僚机根据邻居无人机信息提取需要的期望位置进行跟踪

以保持期望的队形。编队解散阶段属于编队回收部分，在这个阶段，编队内各无人机依次退出

编队。如果有N架无人机组成编队，则编队内有1架长机和N-1架僚机，第一步从N-1僚机

中选择离起飞点距离最近的僚机自动降落，其他僚机继续处于队形保持任务，依次类推，长机

最后降落。

自动飞行二）编队集结二）队形保持二）编队解散

图3.1编队主要阶段

从上述分析中可以看出，无人机编队的主要飞行阶段依然需要单无人机独立的自主控制，

在队形保持阶段，长机也是处于单机自动模式。换言之，编队的控制与单机控制不可分割，因

此对于单机控制律的优化显得非常有必要。在本章3.3节将以长机为例，设计与优化单机控制

律。在编队保持阶段，僚机需要动态的跟踪目标点飞行，目前传统的算法大多都是对期望轨迹

的跟踪，无法对未知轨迹的动态目标点进行完美跟随，为解决这个问题，本章提出了一种新的

僚机编队跟踪算法。出于对编队实际飞行的安全策略考虑，编队飞机的故障诊断与处理也是不

容忽略的一部分，本章最后会介绍几种编队飞行的故障诊断和处理策略。

1.2基于长僚机模式的编队策略

在编队策略的研究方面，目前比较通用且应用范围比较广的策略主要有三种，分别是虚拟

结构法、基于行为法和长僚机（Leader-Follower）方法用1。下面对这三种方法分别进行介绍。

1.虚拟结构法

虚拟结构法网［45］通过在无人机之间设定一个虚拟点，各无人机之间通过信息共享保持与

虚拟点之间的固定距离从而保持队形。在实际应用中，虚拟结构法一般会设置一个虚拟长机来

替代虚拟点的运动，虚拟结构控制器一般通过以下三步进行：1）建立虚拟长机运动模型，设

定虚拟长机期望的路径；2）编队内各无人机通过信息共享得到虚拟长机的位置、速度和姿态

等数据；3）各无人机推导出自身编队保持的控制方法。这种结构稳定性比较高，虚拟长机几

乎不会发生故障。但在实际工程应用中，一般虚拟结构点或者虚拟长机的运动模型都在地面站

运行，这意味在编队队形保持阶段，编队通信网络拓扑图中必须包含地面站节点，这极大的限

制了编队的作业距离，地面站节点的断开意味着虚拟结构被打破。这种结构不适合固定翼无人

机长航程的作业特点。

2.基于行为法

基于行为法14句的基本思想是模仿生物群体的环境反应机制，这种方法特别灵活。典型的生

物群体行为机制有鸽群行为机制、雁群行为机制和狼群行为机制。基于行为法在无人机编队中

的表现形式为编队内各无人机利用传感器实时的感知周围环境，然后设计编队控制策略去适应

环境。这种方法固然灵活性强、鲁棒性高。但由于群体的行为变化多样，不好定义。因此很难

建立数学模型来分析，该方法不具有普适性，难以实现。

3.长僚机方法

长僚机模型［4刀定义编队中一个飞机充当长机角色，其他飞机作为僚机。僚机追踪相对于长

机的固定偏差以形成特定的编队队形。这种方法非常成熟，原理简单且容易编程实现。在长僚

机策略中，最大的一个缺点就是鲁棒性差，如果长机出现故障，会使整个编队处于失控状态，

但可以通过设计切换长机逻辑来避免这个缺陷。这部分内容会在3.5节中介绍。因此本文决定

采用长僚机策略进行编队。

1.3长机编队飞行控制律设计

长机是在编队中处于领导者位置，其全程处于独立的单机控制模式，主要任务就是把自己

的姿态、速度和位置信息通过通信网络发送给其他僚机。本节以长机为例介绍单机控制律的优

化，长机控制律可以分为姿态环和轨迹环两部分。姿态环也称为内环，包括滚转角控制器、俯

仰角控制器和偏航角控制器。轨迹环亦称为外环，具体还包括横侧向控制律和纵向控制律，其

控制带宽较小。外环的输出作为内环的输入，内环运行完控制算法后输出期望的PWM给执行

机构。图3.2为本文的控制系统结构图。

外环：内环

hveq

Hcq

俯仰角控制器

e

纵向控制器V

△3,从

h

纵向

侧向

y4：电

c横侧向控制器滚转角控制器y

yp

P

航向角控制器B

.=。r

图3.2控制系统结构图

1.3.1姿态环控制律设计

本文中长机和僚机都运行相同的内环控制律，内回路为姿态控制系统，包括滚转、俯仰和

偏航三个控制器，本文姿态环采用经典的PID控制算法，下面分别进行介绍。

1、滚转控制器：

图3.3给出了滚转角的控制框图，以为期望的滚转角输入，为滚转角配平量，配平量的

目的为消除姿态传感器与机体平面的安装误差，区代表期望的滚转角速率。图中的舵效人，根

据速度计算得到。儿的值与飞机空速成负相关。

无

人

机

假设系统姿态环滚转通道的响应时间常数为7；,则图中，k3r=1工,a为积分分离开关

系数，滚转角的控制律输出如下：

Pe=左°『-(4+0—0)(3.1)

ep=P/P(32)

k

=kv•(A-kPpc+a^ep-kv-kiepM+ep-kv-)(3.3)

z=0

2、俯仰控制器：

图3.4给出了俯仰角控制框图，q为期望的俯仰角输入，。为俯仰角配平量，必代表期

望的俯仰角速率。(2p为滚转角补偿系数，默认情况为1，若在姿态模式下，转弯出现掉高现

象，该值可以调大，反之减小。图中滚转角补偿计算方式如下：

qc=cos0—tan勿sin。•kr2p(3.4)

无

人

机

定义俯仰通道的响应时间常数为7；，一般和滚转通道相同，俯仰角的控制律输出如下：

%=%，(Q+Q-e)+%35)

eq=q「q36)

k

=kv•(qc-kPv+a^eq-kv-AT+eq-kv-)(3.7)

，二0

3、偏航角控制器：

图3.5为航向角控制器框图，航向控制采用协调转弯的形式进行。航向控制系统对航向的

控制机理是，航向指令使得滚转控制系统控制飞机滚转倾斜，速度矢量转动而出现侧滑，然后

侧滑角控制系统为了保持零侧滑角，使得机体轴转动并与速度矢量重合，从而航向得以改变，

控制结束后速度矢量和机体轴都在所要求的航向上。这样的控制方式，必须在协调转弯控制系

统的基础上才能实现。图中为期望的方向舵输入，4为飞机机体系下y轴加速度，厂为测

量航向角速率。一般稳定情况下期望的输入为0,航向控制器处于航向锁定模式。

无

人

机

器

角控制

5偏航

图3.

计

制律设

迹环控

2轨

1.3.

制律的

迹环控

介绍轨

部分来

设计两

控制律

向通道

计和纵

制律设

通道控

侧向控

将分横

本小节

。

设计

计：

律设

控制

通道

侧向

1、横

rk、

ukPa

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3.6所

如图

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［49］。

度指令

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►V

.，——

7

a

A

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cmd

参考点

R

R

迹'一

期望轨

2〃

选择

考点的

算法参

6L1

图3.

：

计算

下式

通过

可以

指令

速度

向加

横侧

2

V

(3.8)

sinr1

=2-