一种无人机时变编队的跟踪方法及系统与流程
本发明涉及无人机控制领域，特别是涉及一种无人机时变编队的跟踪方法及系统。
背景技术
多智能体系统的编队控制是目前控制领域的热点，并且在科研与工程领域得到了广泛的应用。有人机-无人机混合编队协同作战能够充分发挥各种机型的优点，有人机指挥，无人机作战，极大的降低了作战成本；航天器编队协同探测，一方面能够增大形成的衍射雷达口径，另一方面相对于发射大型望远镜/雷达，降低了发射成本；水面航母舰艇编队协同作战，有助于提高对敌方反舰导弹的突防概率。目前，基于一致性的编队控制方法具有较大的优点，它具有分布式控制的特点，能够降低通信压力，具有较好的可扩展性、鲁棒性、自适应性。
无人机作为一类典型的实际物理系统，往往受到外部扰动的影响，比如未知气流干扰、模型扰动等。在进行编队控制的过程中，处理系统的外部干扰对多无人机系统的稳定性以及编队控制精度将会是未来编队控制领域的重点。此外，随着无人机数量的增加，另外一个需要重点解决的问题是防碰撞与连通性保持。无人机之间需要保持合理的距离，一方面需要物理安全，也就是保持安全距离不发生碰撞，另一方面需要通信安全，也就是距离在一个合理通信范围之内。
现有的编队控制方案大多只能解决时不变编队跟踪的防碰撞问题。而实际任务往往是变化的，因此也要求编队是一个时变的。时变编队跟踪控制问题将会带来编队函数的导数信息，使得控制方案的分析与设计更加复杂。对于无人机时变编队，在形成编队、编队形成后以及编队切换过程中可能出现无人机碰撞以及通信距离超出可行范围的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种无人机时变编队的跟踪方法及系统，以克服无人机时变编队、在形成编队、编队形成后以及编队切换过程中可能出现无人机碰撞以及通信距离超出可行范围的问题，实现防碰撞和连通性保持的编队跟踪效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种无人机时变编队的跟踪方法，所述跟踪方法包括：
获取无人机编队的通讯拓扑关系；所述无人机编队包括多架无人机；所述通讯拓关系中每一条通讯路径的两个节点分别为跟随无人机和被跟随无人机，且每个所述跟随无人机有且仅有一个被跟随无人机通过一条通讯路径连接；
获取当前时刻所述被跟随无人机的速度数据和位置数据；
获取当前时刻跟随无人机的速度数据和位置数据；
获取所述无人机编队的通讯距离阈值和安全距离阈值；
根据当前时刻所述被跟随无人机的位置数据、所述跟随无人机的位置数据以及所述通讯距离阈值、安全距离阈值，确定所述被跟随无人机和所述跟随无人机之间的引力和斥力；
根据所述被跟随无人机和所述跟随无人机之间的引力和斥力，确定下一时刻所述跟随无人机的加速度数据；
根据下一时刻所述跟随无人机的加速度数据调整所述跟随无人机下一时刻跟踪所述被跟随无人机的运动状态。
可选的，所述无人机编队包括一架领导者无人机，所述领导者无人机在飞行时仅作为被跟随无人机被多架跟随无人机跟踪。
可选的，所述根据当前时刻所述被跟随无人机的位置数据、所述跟随无人机的位置数据以及所述通讯距离阈值、安全距离阈值，确定所述被跟随无人机和所述跟随无人机之间的引力和斥力，具体包括：
利用公式
利用公式
可选的，所述根据所述被跟随无人机和所述跟随无人机之间的引力和斥力，确定下一时刻所述跟随无人机的加速度数据，具体包括：
对无人机编队的综合不确定性进行估计，得到综合不确定性的估计值；
根据所述综合不确定性的估计值，利用公式
确定下一时刻所述跟随无人机的加速度数据ui(t)；其中，αi(t)表示虚拟控制量，
可选的，所述对无人机编队的综合不确定性进行估计，得到综合不确定性的估计值，具体包括：
获取扩张状态观测器的观测器增益；
根据所述观测器增益，利用公式
一种无人机时变编队的跟踪系统，所述跟踪系统包括：
通讯拓扑关系获取模块，用于获取无人机编队的通讯拓扑关系；所述无人机编队包括多架无人机；所述通讯拓关系中每一条通讯路径的两个节点分别为跟随无人机和被跟随无人机，且每个所述跟随无人机有且仅有一个被跟随无人机通过一条通讯路径连接；
被跟随无人机的速度数据和位置数据获取模块，用于获取当前时刻所述被跟随无人机的速度数据和位置数据；
当前时刻跟随无人机的速度数据和位置数据获取模块，用于获取当前时刻跟随无人机的速度数据和位置数据；
通讯距离阈值和安全距离阈值获取模块，用于获取所述无人机编队的通讯距离阈值和安全距离阈值；
被跟随无人机和跟随无人机之间的引力和斥力确定模块，用于根据当前时刻所述被跟随无人机的位置数据、所述跟随无人机的位置数据以及所述通讯距离阈值、安全距离阈值，确定所述被跟随无人机和所述跟随无人机之间的引力和斥力；
下一时刻跟随无人机的加速度数据确定模块，用于根据所述被跟随无人机和所述跟随无人机之间的引力和斥力，确定下一时刻所述跟随无人机的加速度数据；
被跟随无人机运动状态调整模块，用于根据下一时刻所述跟随无人机的加速度数据调整所述跟随无人机下一时刻跟踪所述被跟随无人机的运动状态。
可选的，所述无人机编队包括一架领导者无人机，所述领导者无人机在飞行时仅作为被跟随无人机被多架跟随无人机跟踪。
可选的，所述被跟随无人机和跟随无人机之间的引力和斥力确定模块，具体包括：
斥力确定单元，用于利用
引力确定单元，用于利用
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
通过跟随无人机与被跟随无人机之间的通讯距离阈值和安全距离阈值，进而确定跟随无人机的加速度数据，控制跟随无人机自身的运动状态，实现跟踪运动过程中的防碰撞和通讯连通性。同时，采用一种分布式扩张状态观测器，来估计系统的扰动以及领导者无人机的未知输入等综合不确定性，将估计值加入每一个跟随无人机的加速度确定过程中，消除了综合不确定性对于跟随无人机运动状态的影响，进一步提高了整个无人机时变编队的跟踪精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明无人机时变编队的跟踪方法的流程示意图；
图2为本发明无人机时变编队的跟踪系统的结构示意图；
图3为本发明具体实施方式的流程示意图；
图4为本发明具体实施方式的通讯拓扑关系示意图；
图5为本发明具体实施方式中不考虑防碰撞机制的无人机运动轨迹的示意图；
图6为本发明具体实施方式中不考虑防碰撞机制的任意两个无人机之间的距离的示意图；
图7为本发明具体实施方式中不考虑防碰撞机制的编队跟踪误差示意图；
图8为本发明具体实施方式中考虑防碰撞机制的无人机运动轨迹的示意图；
图9为本发明具体实施方式中考虑防碰撞机制的任意两个无人机之间的距离的示意图；
图10为本发明具体实施方式中考虑防碰撞机制的编队跟踪误差示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明无人机时变编队的跟踪方法的流程示意图。如图1所示，所述跟踪方法具体包括：
步骤100：获取无人机编队的通讯拓扑关系。所述无人机编队包括多架无人机；所述通讯拓关系中每一条通讯路径的两个节点分别为跟随无人机和被跟随无人机，且每个所述跟随无人机有且仅有一个被跟随无人机通过一条通讯路径连接。
无人机编队的n架无人机之间的相互作用的拓扑结构可以被描述为一个图g＝{w,e,a}，其中w＝{w1,w2,…,wn}代表结点集，
考虑多无人机编队中有n架无人机，其中包括一架领导者无人机，所述领导者无人机在飞行时仅作为被跟随无人机被多架跟随无人机跟踪。其余的n-1架无人机可以称为跟随者无人机，每个跟随者无人机都对应一个跟随无人机进行跟踪，同时也可能作为被跟随无人机被其他跟随无人机跟踪飞行。定义f＝{1,2,…,n-1}为跟随者无人机集合。无人机编队之间的通讯拓扑关系可以用无向图g表示。无人机编队的拉普拉斯矩阵可以写为：
步骤200：获取当前时刻所述被跟随无人机的速度数据和位置数据。对被跟随无人机的速度数据和位置数据进行实时测量，作为跟随无人机调整运动姿态的基础。
步骤300：获取当前时刻跟随无人机的速度数据和位置数据。
跟随者无人机的运动学模型可以描述为：
领导者无人机的运动学模型可以描述为：
广义干扰项满足||δi(t)||、
用向量
步骤400：获取所述无人机编队的通讯距离阈值和安全距离阈值。任意两架无人机之间的距离为ρi,j(t)＝||xi(t)-xj(t)||。无人机在形成时变编队跟踪的过程中，要求任意两架无人机之间不碰撞，也就是两架无人机之间的距离大于一个常数；此外，还需要无人机之间保持一定的连通性，这是通讯距离是有限的，因此还需要任意两架无人机之间的距离小于一个常数。假设两架无人机之间的最小安全距离为
步骤500：根据当前时刻所述被跟随无人机的位置数据、所述跟随无人机的位置数据以及所述通讯距离阈值、安全距离阈值，确定所述被跟随无人机和所述跟随无人机之间的引力和斥力。
利用公式
利用公式
可以看出，fc,i,j(ρi,j(t))使得任意两架无人机发生排斥，且ρi,j(t)→ρc,min时有fc,i,j(ρi,j(t))→∞，显然防碰撞功能可以实现；同理fi,i,j(ρi,j(t))使得任意两架无人机发生吸引，且ρi,j(t)→ρc,min时有fi,i,j(ρi,j(t))→∞，显然连通性保持可以实现。
步骤600：根据所述被跟随无人机和所述跟随无人机之间的引力和斥力，确定下一时刻所述跟随无人机的加速度数据。具体步骤如下：
对无人机编队的综合不确定性进行估计，得到综合不确定性的估计值；
根据所述综合不确定性的估计值，利用公式
确定下一时刻所述跟随无人机的加速度数据ui(t)；其中，αi(t)表示虚拟控制量，
对无人机编队的综合不确定性进行估计，得到综合不确定性的估计值，具体包括：
获取扩张状态观测器的观测器增益；
根据所述观测器增益，利用公式
在实现无人机时变编队跟踪的过程中，如果下述条件成立，则称多无人机编队实现了时变编队跟踪：
(1)所有跟随者无人机的状态都是有界的；
(2)对于第i个无人机的有界初始状态
为了更好的刻画实用时变编队跟踪控制问题，我们定义ξi,x(t)＝xi(t)-xn(t)-hi,x(t)与ξi,v(t)＝vi(t)-vn(t)-hi,v(t)两个变量，则根据领导者无人机运动模型和跟随者运动模型可以得到：
本发明主要考虑具有防碰撞以及连通性保持机制的多无人机系统时变编队跟踪控制方法的研究，因此转化为以下三个子问题：
(a)在控制输入即加速度数据ui(t)中设计一个补偿项
(b)通过控制安全距离阈值和通讯安全阈值，通过ui(t)实现防碰撞以及连通性保持功能。
(c)加速度数据ui(t)的确定，采用的是分布式协议，也就是说，ui(t)中的信息是无人机i自身的信息以及其邻居的信息。
针对问题(a)，定义
步骤700：根据下一时刻所述跟随无人机的加速度数据调整所述跟随无人机下一时刻跟踪所述被跟随无人机的运动状态。
对于分布式扩张状态观测器和其他参数的设计过程：
(1)一个期望的时变编队hi(t)，它需要满足条件
(2)设计观测器中的增益g＝[g1,g2,g3]t，需要满足下列线性矩阵不等式有正定解q1：
确定好了观测器参数，便可以通过观测器得到
(3)其他参数选择为：kc＞0以及ki＞0；c1＞0，c2＞0以及ti＞0。
(4)为了保证ui(t)的幅值有界(控制变量一般都是有界的)，需要对编队函数进行处理。由于事先已经确定好期望的时变编队函数hi(t)＝[hi,x(t),hi,v(t)]t，在防碰撞过程以及连通性保持过程中，如果满足max{∑j∈f,j≠i||fc,i,j(ρi,j)+fi,i,j(ρi,j)||}＞κi/||hi,v(t)||，则选择hi,v(t)＝κi/max{∑j∈f,j≠i||fc,i,j(ρi,j)+fi,i,j(ρi,j)||}，hi,x(t)的表达式可以按照
图2为本发明无人机时变编队的跟踪系统的结构示意图。如图2所示，所述跟踪系统包括：
通讯拓扑关系获取模块201，用于获取无人机编队的通讯拓扑关系；所述无人机编队包括多架无人机；所述通讯拓关系中每一条通讯路径的两个节点分别为跟随无人机和被跟随无人机，且每个所述跟随无人机有且仅有一个被跟随无人机通过一条通讯路径连接。
被跟随无人机的速度数据和位置数据获取模块202，用于获取当前时刻所述被跟随无人机的速度数据和位置数据。
当前时刻跟随无人机的速度数据和位置数据获取模块203，用于获取当前时刻跟随无人机的速度数据和位置数据。
通讯距离阈值和安全距离阈值获取模块204，用于获取所述无人机编队的通讯距离阈值和安全距离阈值。
被跟随无人机和跟随无人机之间的引力和斥力确定模块205，用于根据当前时刻所述被跟随无人机的位置数据、所述跟随无人机的位置数据以及所述通讯距离阈值、安全距离阈值，确定所述被跟随无人机和所述跟随无人机之间的引力和斥力。
下一时刻跟随无人机的加速度数据确定模块206，用于根据所述被跟随无人机和所述跟随无人机之间的引力和斥力，确定下一时刻所述跟随无人机的加速度数据。
被跟随无人机运动状态调整模块207，用于根据下一时刻所述跟随无人机的加速度数据调整所述跟随无人机下一时刻跟踪所述被跟随无人机的运动状态。
其中，所述被跟随无人机和跟随无人机之间的引力和斥力确定模块205，具体包括：
斥力确定单元，用于利用
引力确定单元，用于利用
下面给出本发明的一种具体实施方式：
本具体实施方式中由4个无人机组成无人机时变编队，图3为本发明具体实施方式的流程示意图，图4为本发明具体实施方式的通讯拓扑关系示意图。如图4所示，无人机4为领导者无人机，其余的3个无人机为跟随者无人机。在跟踪过程中，无人机1的跟踪对象为无人机4，无人机2的跟踪对象为无人机4，无人机3的跟踪对象为无人机1，因此，无人机1作为跟随无人机时，跟踪无人机4实现编队，无人机1作为被跟随无人机时，引导无人机3实现编队。
根据图4所示的通讯拓扑关系示意图，对系统进行仿真，仿真参数如下：系统干扰为δ1(t)＝[0.2sin(0.2t),0.2cos(0.2t)]t，δ2(t)＝[0.2,0.3]t，δ3(t)＝[0.2e-0.1t,0.1]t，δ4(t)＝0。领导者的未知输入为：u4(t)＝-x4(t)-2v4(t)+0.1t。
选择控制器增益为c1＝0.5，c2＝1，ti＝0.02。
时变编队设计为：
选择κi＝5，κo＝6000，δ1＝25，δ2＝0.2，可以解得g＝[20.6,206.9,1061.5]t。仿真补偿为1ms，仿真时间为20s，采用龙哥库塔算法。
控制器中安全距离参数选择为：ρc,min＝0.7,ρc,max＝1.1，ρi,min＝3.8,ρi,max＝4.5。
为了考虑连通性保持功能，我们在仿真时刻7s-8s的时候，添加一个干扰，则有：
仿真结果如图5-图10所示，其中图5-图7表示不考虑防碰撞机制下，也就是fc,i,j(ρi,j(t))＝fi,i,j(ρi,j(t))≡0时的编队跟踪控制效果，图5为本发明具体实施方式中不考虑防碰撞机制的无人机运动轨迹的示意图，图6为本发明具体实施方式中不考虑防碰撞机制的任意两个无人机之间的距离的示意图，图7为本发明具体实施方式中不考虑防碰撞机制的编队跟踪误差示意图；图8-图10表示用本发明跟踪方法考虑防碰撞机制的编队跟踪控制效果，图8为本发明具体实施方式中考虑防碰撞机制的无人机运动轨迹的示意图，图9为本发明具体实施方式中考虑防碰撞机制的任意两个无人机之间的距离的示意图，图10为本发明具体实施方式中考虑防碰撞机制的编队跟踪误差示意图。
从图6和图9中可以看出，采用了本发明的跟踪方法及跟踪系统后，无人机编队中任意两个无人机之间的距离均在0.7到4.5之内，可以实现防碰撞与连通性保持。此外，从图10中可以看出，编队跟踪误差趋于0，可以实现期望的时变编队跟踪。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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