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无人机协同控制研究综述
来源:中国人民解放军陆军工程大学指挥与控制工程学院 | 作者:马子玉,何 明*,刘祖均,顾凌枫,刘锦涛 | 发布时间: 2021-08-11 | 19333 次浏览 | 分享到:
无人机(UAV)协同控制是指一组UAV 以机间通信为基础、群体智能为核心,合作分工完成某一共同任务的控制方式....

在协同控制领域中一致性一直是一个重要而复杂的问题。一致性是指一组智能体通过传感器或通信网络相互交流,使得所有智能体的状态随时间趋于一致。根据通信方式的不同,主要分为微分和差分方程两种建模方式。最常见的动态微分方程为:

2.2 蜂拥控制

2.2.1 蜂拥算法

与一致性算法的策略相反,基于蜂拥算法的集群并不一定是一个刚性的形状或结构,即一致性算法要求系统是固定拓扑,而采用蜂拥算法的系统的拓扑结构在运动过程中可能会发生变化。蜂拥算法一般要求智能体满足Reylnolds[44]提出的三种规则,即:

 

其中 为基于梯度项,促进集群的形成 为一致性项,使智能体的速度逐渐一致 为导航反馈项,使智能体向目标方向运动。

2.2.2 蜂拥控制研究现状

蜂拥被定义为由一群可独立行动的个体组成群体以实现共同目标的集体行为。蜂拥控制算法的灵感来源于自然界中的蜂群和鸟群等自然群体,并主要参照Reylnolds[44]提出的三种规则建立分布式控制算法。Reylnolds根据附近邻居的位置和速度对智能体的运动建立Boid 模型,提出分离(碰撞避免)、对齐(速度匹配)和聚集(集群中心)三种规则。智能体的影响区域被分为3 个部分:排斥区(zor)、保持区(zoo)和吸引区(zoa)。以图2无人机为例,由于局部通信存在距离限制,无人机只能感知到一定范围内的个体。考虑到无人机的碰撞体积和活动范围,无人机间为避免发生碰撞应设置安全距离,即排斥区。在排斥区内,无人机间的排斥作用力会使两者距离逐渐增大。同时,为避免保持通信的两架无人机失去联系,会在感知范围内设置吸引区,通过吸引力使邻居无人机进入保持区。而在保持区的无人机间相对势能达到最小值,且两者运动方向将逐渐一致。

 

图2 智能体邻域分布

Fig.2 Agent neighborhood distribution

Moshtagh 等[45]基于图论知识提出一种新的蜂拥算法,通过最短距离控制来最小化相对势能以到达速度匹配和聚集的效果,实验结果证明即使集群的拉普拉斯矩阵发生变化时仍可以保持蜂拥,同时只要保证良好的通信还可以实现一致性控制。Martin 等[46]设计一种新的二阶动力学模型,认为智能体存在通信半径并且集群内各智能体的通信半径随机,并证明在选择合适的初始速度误差后集群最终实现蜂拥。Martinez 等[47]针对固定和移动障碍物下的集群行为进行研究,实验结果表明,在低噪声固定障碍物情况下,可以得到与之前相同的观察结果;但在移动障碍物情况下,集群的稳定性随障碍阻力的增加而加速破坏。同时发现另一个有趣的结论:在某些情况下,引入低阻力障碍物可得到比自由状态下更有序的集群。Zhao 等[48]提出一种具有改进自适应速度和加权策略的快速收敛模型,该模型认为少数个体对系统的影响比一般个体大,当它们中部分与集群失去联系时甚至会导致整个系统的崩溃。Jolles 等[49]将Reylnolds 模型用于对鱼群的集群行为研究,研究发现同类鱼个体离开群体探索未知区域(为获得更多食物,但风险增大)的倾向大体相同,同时鱼群间保持着清晰的吸引和排斥区,由它们的速度和航向决定。

2.3 编队控制

编队控制是指集群中所有无人机调整自己的位置状态以达到规定的几何形状。如果从感知能力和拓扑交互的角度来描述编队控制,便会遇到这样一个问题:为实现目标编队控制,传感器需要获取哪些参数信息,这些参数中又有多少是无人机可主动控制的。无人机可获取何种参数决定了个体的感知能力,同时可控的参数变量类型将与交互拓扑相联系,例如如果无人机的全局位置信息可以被主动控制,那么这些无人机便可直接移动到目标位置,而不需要局部信息交流;如果可以主动控制无人机间的距离,那么将系统视为固定拓扑,集群的网络结构则为刚体。基于以上信息,可将现有编队控制的研究分为基于坐标控制、基于位移控制和基于距离控制三种研究。表1展示了三种控制方式的主要区别。

表1 三种控制方式的区别

Tab.1 Differences between three control methods

 

2.3.1 编队算法

根据编队算法的分类将先介绍一般性编队控制算法,之后讨论基于坐标、位移和距离三种控制算法的区别。一般性编队算法的动态方程为:

 

其中:xi ∈ 表示无人机的状态信息,ui ∈ 和yi ∈ 表示可获取的参数变量,zi ∈Rr 表示无人机i 的状态输出。设z* ∈Rnr 为给定的时间函数,则式(8)的目标编队可以写成以下约束形式:

 

如此,一般性编队控制问题便是在仅获取参数变量yi 的情况下,如何设计一种控制协议使得关于无人机系统(8)的集合Ez*={x:F(z)= F(z*)}渐进稳定。

基于坐标控制 参数yi 是在全局坐标系下的绝对变量,无人机i可主动控制自己的输出zi,式(9)可写为:

 

基于位移控制 参数yi是在全局坐标系下获取的相对变量,无人机i的输出zi具有平移不变性,式(9)可写为: