一种高速飞行器协同飞行与预设性能避碰的控制方法

本发明涉及高速飞行器协同飞行控制，特别是涉及一种高速飞行器协同飞行与预设性能避碰的控制方法。

背景技术：

1、多高速飞行器协同飞行可对目标进行同时搜索，不仅能有效地增大目标捕捉概率，还可以减小误判虚假目标的可能性。因此，具有高收敛精度和速度的编队控制器能提高协同飞行的效率和打击效能。在多高速飞行器协同任务执行过程中，大量高速飞行器在同一空域飞行，导致碰撞概率显著增加，且在飞行过程中，往往需要队形重构与调整，高速飞行器间的避碰控制能保证安全性，对高速飞行器协同智能化水平的提升具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高速飞行器协同飞行与预设性能避碰的控制方法，以提高协同飞行效率和打击效能，保障队形变换过程的安全性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案。

3、本发明提供一种高速飞行器协同飞行与预设性能避碰的控制方法，包括：

4、建立包括领导飞行器和多个跟随飞行器的领导-跟随法高速飞行器协同飞行模型；

5、基于领导-跟随法高速飞行器协同飞行模型，引入领导弹道坐标系，通过坐标变换得到各跟随飞行器在惯性坐标系下的期望位置；

6、建立高速飞行器的动力学模型；

7、基于高速飞行器的动力学模型与各跟随飞行器在惯性坐标系下的期望位置，定义各跟随飞行器的位置跟踪误差；

8、根据各跟随飞行器的位置跟踪误差定义整体的分布式位置跟踪误差；

9、根据高速飞行器的动力学模型和整体的分布式位置跟踪误差，基于固定时间控制理论设计分布式队形保持器；

10、在高速飞行器协同飞行的队形保持阶段，利用分布式队形保持器进行协同飞行控制，直至进入队形变换阶段；

11、在高速飞行器协同飞行的队形变换阶段，采用二次贝塞尔曲线进行各跟随飞行器的变换轨迹设计，并基于预设性能控制理论设计高速飞行器的避碰控制器；

12、利用避碰控制器控制各跟随飞行器的飞行轨迹。

13、可选地，所述建立包括领导飞行器和多个跟随飞行器的领导-跟随法高速飞行器协同飞行模型，具体包括：

14、将多个高速飞行器中的一个高速飞行器作为领导飞行器，进行协同飞行的轨迹规划，将领导飞行器以外的其余高速飞行器作为跟随飞行器，建立出领导-跟随法高速飞行器协同飞行模型；其中多个跟随飞行器根据领导飞行器的状态信息，按照预设的期望相对位置关系跟踪领导飞行器；所述状态信息包括位置、弹道倾角和弹道偏角。

15、可选地，所述基于领导-跟随法高速飞行器协同飞行模型，引入领导弹道坐标系，通过坐标变换得到各跟随飞行器在惯性坐标系下的期望位置，具体包括：

16、引入领导弹道坐标系；其中坐标系原点位于领导飞行器的质心，轴指向速度方向，轴竖直向上，轴与、轴构成右手坐标系；

17、获取跟随飞行器在领导弹道坐标系的期望相对位置；表示转置；

18、通过坐标变换公式得到各跟随飞行器在惯性坐标系下的期望位置；其中为领导飞行器在惯性坐标系下的位置；第一转换矩阵，第二转换矩阵；其中为领导飞行器在惯性坐标系下的弹道偏角；为领导飞行器的弹道倾角。

19、可选地，所述建立高速飞行器的动力学模型，具体包括：

20、建立惯性坐标系下高速飞行器的动力学模型；其中，为高速飞行器在惯性坐标系下的实际位置；表示对应的一阶导数；为高速飞行器的速度；为高速飞行器的弹道倾角；为高速飞行器的弹道偏角。

21、可选地，所述基于高速飞行器的动力学模型与各跟随飞行器在惯性坐标系下的期望位置，定义各跟随飞行器的位置跟踪误差，具体包括：

22、基于高速飞行器的动力学模型与各跟随飞行器在惯性坐标系下的期望位置，定义各跟随飞行器的位置跟踪误差为。

23、可选地，所述根据各跟随飞行器的位置跟踪误差定义整体的分布式位置跟踪误差，具体包括：

24、高速飞行器之间的通信采用分布式架构时，引入相邻高速飞行器的状态信息，将高速飞行器的跟踪误差定义为；其中和分别为和在时刻的值；表示相邻高速飞行器的集合；代表邻接矩阵中到的权值系数；为高速飞行器所在节点获得领导飞行器状态信息的情况；

25、定义整体的分布式位置跟踪误差为；其中为个跟随飞行器的整体位置跟踪误差；为直积；为阶单位矩阵；，；，表示对角矩阵；表示维空间。

26、可选地，所述根据高速飞行器的动力学模型和整体的分布式位置跟踪误差，基于固定时间控制理论设计分布式队形保持器，具体包括：

27、基于整体的分布式位置跟踪误差，采用固定时间控制理论定义非奇异终端滑模面；其中为的简写，为的一阶导数；均为设计参数；为符号函数；

28、将趋近律设计为如下改进的超螺旋算法；其中为中间变量；均为算法设计参数；

29、基于高速飞行器的动力学模型以及改进的超螺旋算法，设计分布式队形保持控制器。

30、可选地，所述采用二次贝塞尔曲线进行各跟随飞行器的变换轨迹设计，并基于预设性能控制理论设计高速飞行器的避碰控制器，具体包括：

31、队形变换时，设计各跟随飞行器期望相对位置在领导弹道坐标系的变化曲线为二次贝塞尔曲线；

32、基于多项式拟合方案设计设定时间性能函数；

33、将各跟随飞行器位置跟踪误差在惯性坐标系下的分量采用设定时间性能函数进行约束，得到跟踪误差的约束函数；

34、根据跟踪误差的约束函数对跟随飞行器位置跟踪误差的各分量进行误差转换，得到转换误差；

35、基于转换误差设计滑模面；其中为的一阶导数；为正常数对角矩阵；

36、基于滑模面设计高速飞行器的避碰控制器。

37、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：

38、本发明所提供的高速飞行器协同飞行与预设性能避碰的控制方法，根据高速飞行器的动力学模型和整体的分布式位置跟踪误差，基于固定时间控制理论设计分布式队形保持器，并在高速飞行器协同飞行的队形保持阶段利用分布式队形保持器进行协同飞行控制，其采用的分布式通信策略减小了通信压力，固定时间控制提升了各高速飞行器位置跟踪误差的收敛精度与速度，从而能够提高协同飞行的效率和打击效能；进一步地，在队形变换阶段通过设计变换轨迹与预设性能控制的避碰控制器，精确限定队形位置跟踪误差的瞬态性能与稳态性能，避免了碰撞与超调，保障了队形变换过程的安全性。

技术特征：

1.一种高速飞行器协同飞行与预设性能避碰的控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的高速飞行器协同飞行与预设性能避碰的控制方法，其特征在于，所述建立包括领导飞行器和多个跟随飞行器的领导-跟随法高速飞行器协同飞行模型，具体包括：

3.根据权利要求2所述的高速飞行器协同飞行与预设性能避碰的控制方法，其特征在于，所述基于领导-跟随法高速飞行器协同飞行模型，引入领导弹道坐标系，通过坐标变换得到各跟随飞行器在惯性坐标系下的期望位置，具体包括：

4.根据权利要求3所述的高速飞行器协同飞行与预设性能避碰的控制方法，其特征在于，所述建立高速飞行器的动力学模型，具体包括：

5.根据权利要求4所述的高速飞行器协同飞行与预设性能避碰的控制方法，其特征在于，所述基于高速飞行器的动力学模型与各跟随飞行器在惯性坐标系下的期望位置，定义各跟随飞行器的位置跟踪误差，具体包括：

6.根据权利要求5所述的高速飞行器协同飞行与预设性能避碰的控制方法，其特征在于，所述根据各跟随飞行器的位置跟踪误差定义整体的分布式位置跟踪误差，具体包括：

7.根据权利要求6所述的高速飞行器协同飞行与预设性能避碰的控制方法，其特征在于，所述根据高速飞行器的动力学模型和整体的分布式位置跟踪误差，基于固定时间控制理论设计分布式队形保持器，具体包括：

8.根据权利要求7所述的高速飞行器协同飞行与预设性能避碰的控制方法，其特征在于，所述采用二次贝塞尔曲线进行各跟随飞行器的变换轨迹设计，并基于预设性能控制理论设计高速飞行器的避碰控制器，具体包括：

技术总结
本发明公开一种高速飞行器协同飞行与预设性能避碰的控制方法，涉及高速飞行器协同飞行控制领域。本发明根据高速飞行器的动力学模型和整体的分布式位置跟踪误差，基于固定时间控制理论设计分布式队形保持器，并在高速飞行器协同飞行的队形保持阶段利用分布式队形保持器进行协同飞行控制，其采用的分布式通信策略减小了通信压力，固定时间控制提升了各高速飞行器位置跟踪误差的收敛精度与速度，从而能够提高协同飞行的效率和打击效能；进一步地，在队形变换阶段通过设计变换轨迹与预设性能控制的避碰控制器，精确限定队形位置跟踪误差的瞬态性能与稳态性能，避免了碰撞与超调，保障了队形变换过程的安全性。

技术研发人员：丁一波,张恒懋,岳晓奎,代洪华,李勇,张顺家,王宏伟,张莹,梁纪秋,池贤彬,彭威,常子原,胡万林,王瑶,冯冀秦
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17