r>[0051] 见图1一一图3,下面通过一个具体的无人机编队控制实例来验证本发明所提出的 设计控制器的有效性，本实例中使用的无人机模型为公式（1)中模型。本实例中舰载机速 度为70m/s，大约在84s前后完成着舰。实验计算机配置为巧-4210M处理器，2. 60化Z主频， 4G内存，软件为MTLAB201化版本。
[0052] 本实例的具体实现步骤如下：
[0053] 步骤一：搭建无人机Matl油仿真模型
[0054] 本方法中的无人机模型如下式所示： 兩二v,'cos价 阳化5]夫二V,'sin的' (3) 知二.所?、
[0056] 公式中，V康示第i架无人机的飞行速度大小，11)康示第i架无人机的偏航角，為 表示第i架无人机在水平面X轴上的速度分量，j,表示第i架无人机在水平面y轴上的速 度分量，换表示第i架无人机的偏航角速度，表示第i架无人机的偏航角变化率，巧max,、 表示第i架无人机的最大转弯角速度。
[0057] 步骤二：初始化滚动优化人工物理混合方法初始参数 阳〇5引 （1)初始化预测窗口长度P
[0059] 本方法中预测窗口长度P为滚动优化方法中的参数，可W根据无人机编队控制器 的形式不同而改变。本实例中预测窗口长度P的默认值设为3。
[0060] (2)初始化执行窗口长度M
[0061] 执行窗口长度M对编队效果影响很大。一般执行窗口长度的选择为预测窗口长度 P的一半。根据预测窗口长度P的设计值，本实例中执行窗口长度M的值设为1.
[0062] (3)初始化人工物理方法引力参数G
[0063] 引力参数G应用在人工物理方法中，它影响无人机编队距离。本实例中人工物理 方法引力参数G的默认值为500。
[0064] (4)初始化人工物理方法感知范围R W65] 感知范围R表示无人机之间能感知到的范围，根据具体的无人机数量来确定。由 于本实例中采用5架无人机进行编队控制，将感知范围R的值设为60。
[0066] 步骤=:设计人工物理力函数
[0067] 人工物理力函数的设定在编队控制中十分关键，它的设定直接影响编队效果。本 方法中，人工物理力采用与万有引力相似的形式。因此采用如下的人工物理力函数： W側 F=G/r2 (4)其中，F为无人机受到的作用力，G为设定的人工物理方法引力参 数G，r为无人机之间的相对距离。 W例根据无人机之间的相对距离，求解出无人机受到的作用力F。
[0070] 步骤四：在Matlab中设置无人机初始参数
[0071] 将无人机的初始参数写入Matl油相应模块，在模块的初始化函数中载入写有无 人机初始参数的.mat文件。将滚动优化人工物理混合方法中的参数传递给Matl油模块， 在无人机模型中写入定义好的初始参数变量名。
[0072] 步骤五：利用滚动优化人工物理方法进行编队控制
[0073] 利用初始化的无人机位置和速度，根据公式（2)中的公式计算出所有无人机在飞 行中受到的作用力，计算所需的控制输入量，将该控制输入量作用在无人机模型上，根据公 式（3)中的无人机模型计算无人机新的速度和偏航角，并反复应用滚动优化人工物理混合 方法进行寻优，更新无人机当前的位置。
[0074] 步骤六：储存结果并验证
[0075] 无人机编队飞行的位置和速度被视为最终的控制结果，将此结果保存在.mat文 件中，在Matl油模块中调用该.mat文件进行仿真，观察无人机在滚动优化人工物理混合方 法的作用下实现编队控制的结果。若对结果不满意，可W调整编队控制器所设置的初始参 数，重新启动算法进行控制，直到得到满意的控制结果。
[0076] 通过上述控制过程，可W得到编队控制仿真结果图如附图3所示，从仿真结果中 可W看出，无人机系统快速稳定地保持了编队飞行，系统整体性能令人满意。
【主权项】
1. 一种基于滚动优化人工物理混合的编队控制器的构建方法，其特征在于：该方法的 具体步骤如下： 步骤一：搭建无人机Matlab仿真模型 无人机模型如下式所示：公式中，V1表示第i架无人机的飞行速度大小，Φ i表示第i架无人机的偏航角，X表 示第i架无人机在水平面X轴上的速度分量，兑:表示第i架无人机在水平面y轴上的速度 分量，A表示第i架无人机的偏航角速度，W1表示第i架无人机的偏航角变化率，·??max<表 示第i架无人机的最大转弯角速度； 步骤二：初始化滚动优化人工物理混合方法初始参数 (1) 初始化预测窗口长度P 预测窗口长度P为滚动优化方法中的参数，根据无人机编队控制器的形式不同而改 变； (2) 初始化执行窗口长度M 执行窗口长度M对编队效果影响很大，执行窗口长度的选择为预测窗口长度P的一 半； (3) 初始化人工物理方法引力参数G 引力参数G应用在人工物理方法中，它影响无人机编队距离； (4) 初始化人工物理方法感知范围R 感知范围R表示无人机之间能感知到的范围，根据具体的无人机数量来确定； 步骤三：设计人工物理力函数 人工物理力函数的设定在编队控制中十分关键，它的设定直接影响编队效果；人工物 理力采用与万有引力相似的形式，因此定义如下的人工物理力函数： F = G/r2 (2) 其中，F为无人机受到的作用力，G为设定的人工物理方法引力参数G，r为无人机之间 的相对距离； 步骤四：在Matlab中设置无人机初始参数 将无人机的初始参数写入Matlab相应模块，在模块的初始化函数中载入写有无人机 初始参数的.mat文件，将滚动优化人工物理混合方法中的参数传递给Matlab模块，在无人 机模型中写入定义好的初始参数变量名； 步骤五：利用滚动优化人工物理方法进行编队控制 利用初始化的无人机位置和速度，根据F = G/r2(2)中的公式计算出所有无人机在飞 行中受到的作用力，计算所需的控制输入量，将该控制输入量作用在无人机模型上，根据公中的无人机模型计算无人机新的速度和偏航角，并反复应用滚动优化人工物理混合方 法进行寻优，更新无人机当前的位置； 步骤八：储存结果并验证 无人机编队飞行的位置和速度被视为最终的控制结果，将此结果保存在.mat文件中， 在Matlab模块中调用该.mat文件进行仿真，观察无人机在滚动优化人工物理混合方法的 作用下实现编队控制的结果；若对结果不满意，调整编队控制器所设置的初始参数，重新启 动算法进行控制，直到得到满意的控制结果。
【专利摘要】本发明是一种基于滚动优化人工物理混合的编队控制器的构建方法，其实施步骤为：步骤一：搭建无人机Matlab仿真模型；步骤二：初始化滚动优化人工物理混合方法初始参数；步骤三：设计人工物理力函数；步骤四：在Matlab中设置无人机初始参数；步骤五：利用滚动优化人工物理方法进行编队控制；步骤六：储存结果并验证。该方法能够根据不同的编队控制队形需求，通过修改滚动优化人工物理方法的初始参数快速地设计出满足要求的编队控制效果，减轻设计人员工作负担。
【IPC分类】G05B17/02, G05D1/10
【公开号】CN105182998
【申请号】CN201510646114
【发明人】段海滨, 朱威仁
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年10月8日