2021年基于一致性算法的无人直升机编队飞行研究应用印佼.doc

第二十八届（）全国直升机年会论文
基于一致性算法无人直升机编队飞行研究
印 佼1 王勇强2 孙传伟1
（1. 南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，南京，210016；2. 北京大学工学院，北京，100871）
摘 要：本文基于一致性算法，进行了无人直升机编队飞行初步研究。建立了一种简化无人直升机运动模型，考虑了模型带自动驾驶仪状况，给出了相应约束条件；运用代数图形理论描述了各无人直升机之间通信拓扑关系；提出了基于一致性算法多无人直升机速度、姿态角和高度同步控制方略；并结合相对位置和相对姿态角反馈编队图控制办法，给出了基于编队图多无人直升机分布式编队飞行控制方略；最后，以五架无人直升机三维空间编队飞行为例，验证了算法有效性。
核心词：无人直升机；图论；一致性算法；编队飞行；分布式协同控制
1 引言
无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）由于具备重量轻、尺寸小、机动性高、隐蔽性好、适应性强、可自主飞行和价格低廉等特点，在民用和军用领域受到了广泛关注。民用方面，无人机用于地形测量、气象观测、都市环境监测、资源勘探、森林防火和人工降雨等；军事上，无人机用于侦察、监视、通信中继、电子对抗、战果评估、骚扰、诱惑、反潜、目的袭击等任务。其中，无人直升机（Helicopter UAVs）由于具备可垂直起降、悬停及可在舰船、荒地起降等特点[1]，其应用空间和发展前景巨大。
由于受到尺寸、传感器、储能及重量方面影响，单架机机载设备及其执行任务能力会严重受到限制[2]。实行多架无人直升机编队飞行，可有效解决这一问题。实现无人直升机编队飞行需提出一种新办法来代替老式导航和控制方略。近几年，多无人机系统分布式协同控制成为了人们关注焦点，它仅依托局部信息交互，具备较好灵活性、鲁棒性、可靠性和可伸缩性。将一致性理论与图论应用到分布式协同控制算法中，已逐渐证明是一种行之有效办法[2]。
2 问题描述
无人直升机运动模型建立
如何对编队中无人直升机运动进行精确而恰本地描述，是研究无人直升机编队控制前提和基本。文献[3]、[4]和[5]简介了几种无人直升机建模办法，本文着重研究无人直升机编队飞行与控制，因而建模时不考虑直升机编队过程中旋翼气动力影响，假设发动机油耗恒定，且机体刚性。
图1 无人直升机体轴系及其重要部件
无人直升机运动模型建立如下：
其中，为无人机在“北-东-地”惯性坐标系中位置矢量，为机体轴相对于惯性大地坐标系角度矢量，、和、为惯性系和体轴系速度矢量及角速度矢量，、和为相应加速度矢量。
考虑到无人机飞行控制系统普遍具备自动驾驶仪，可使其跟踪速度和姿态角指令。将上述模型写成带自动驾驶仪状况。自动驾驶仪用一阶动态模型近似描述，该无人直升机运动模型如下：
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其中、、和为自动驾驶仪速度和姿态角角指令、、和是与该机及其飞行状态关于正常数，为平飞时旋翼拉力，m为该机质量。取为模型()控制输入可解算出无人直升机位置坐标和姿态角。
模型()为本文对无人直升机编队控制进行研究和仿真基本模型，将其对纵向和横向解耦，速度保持和姿态角保持用一阶动态模型近似描述，高度保持用二阶动态模型近似描述：

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