一种使用方位角信息的多无人机编队协同包围目标控制方法

本公开实施例涉及飞行控制，尤其涉及一种使用方位角信息的多无人机编队协同包围目标控制方法。

背景技术：

1、近年来，无人机因其高效率、低成本、受环境限制少、高机动性和灵活性的优势，广泛应用于编队搜索、路径跟踪、协同定位、环绕包围等领域。其中多无人机编队协同执行对地面目标的环绕与包围任务，可以有效实现对目标的侦察、监视，搜集目标信息，提高态势感知能力，进一步地，为后续定向驱离、协同攻击提供关键信息。

2、环绕包围控制作为一种提高无人机自主水平的控制技术，通过携带的传感器获取目标的状态信息，从而制定相应的控制策略实现对目标的环绕包围，进一步地，执行目标定位、区域监测和搜查等多种关键任务。对于现有的多数多无人机协同环绕包围控制方法而言，其控制方法的设计通常假设可以获取目标的完备信息如位置、速度等，这往往需要付出高昂的代价并增加无人机自身暴露的风险。对于一些特定应用场景下的非合作目标而言，无人机难以获取到目标的位置先验信息，上述控制方法将难以适用。另外，随着区域拒止技术和反无人机技术的发展，使得无人机的gps信号可能会受到欺骗、遮蔽或者干扰，这对无人机的生存环境和环绕控制技术的设计构成了严峻考验。因此，探究如何在gps拒止环境下的环绕包围控制算法更具有现实意义。

3、尽管针对拒止环境下的环绕包围控制算法涌现了诸多成果，如仅使用距离量测信息或者使用距离、距离变化率信息设计环绕控制算法，或者使用测距信息和方位角信息设计算法，对于使用距离量测信息而言，其本质上属于一种主动探测方式，需要无人机不断发射信号来获取相对目标的距离，这无疑会增加无人机暴露的风险。使用距离变化率信息，由于量测噪声的存在，无论是采取差分滤波还是数值微分的方式均会导致存在较大的误差，导致算法性能下降。而对于同时使用测距信息和方位角信息的算法而言，需要同时安装测距传感器和方位传感器，这增加了无人机的成本。此外，任意一个传感器失效均会导致算法的性能下降或者算法失效。因此，研究在探测资源约束下采用被动探测方式获取的方位角信息来设计环绕控制方法更具应用价值。

技术实现思路

1、为了避免现有技术的不足之处，本技术提供一种使用方位角信息的多无人机编队协同包围目标控制方法，用以解决现有技术中存在使用距离变化率信息，由于量测噪声的存在，无论是采取差分滤波还是数值微分的方式均会导致存在较大的误差，导致算法性能下降。而对于同时使用测距信息和方位角信息的算法而言，需要同时安装测距传感器和方位传感器，增加了无人机的成本的问题。

2、根据本公开实施例，提供一种使用方位角信息的多无人机编队协同包围目标控制方法，该方法包括：

3、利用目标的方位角信息设计相对位置估计器；

4、利用所述相对位置估计器重构实际距离信息，以得到估计距离信息，并根据所述方位角信息和所述估计距离信息设计目标环绕控制算法；

5、利用所述方位角信息、各个无人机的航向信息和速度信息设计分布式速度控制算法，并根据所述分布式速度控制算法和所述环绕控制算法生成控制指令组，其中，所述控制指令组包括速度控制指令、高度控制指令和滚转角控制指令；

6、分别将所述控制指令输入至控制器组中，以实现所有所述无人机对所述目标的均匀环绕包围，其中，所述控制器组包括速度控制器、高度控制器和滚转角控制器。

7、进一步的，相对位置估计器的表达式为：

8、

9、其中，为相对位置向量的估计值，为二阶单位矩阵，为待设计增益，为无人机航向角，为无人机速度，为无人机相对目标视线连线上的单位向量。

10、进一步的，利用所述相对位置估计器重构实际距离信息，以得到估计距离信息，并根据所述方位角信息和所述估计距离信息设计目标环绕控制算法的步骤中，包括：

11、基于无人机协同包围目标的相对运动学方程，根据所述目标的所述方位角信息和实际距离信息构建初始环绕控制算法；

12、利用所述相对位置估计器重构实际距离信息，以得到所述估计距离信息，并利用所述估计距离信息替换所述实际距离信息；

13、根据所述方位角信息和所述估计距离信息设计目标环绕控制算法。

14、进一步的，所述相对运动学方程的表达式为：

15、

16、其中，为无人机相对目标距离的微分，为侧向角的微分信号，为相位分离角的微积分，为无人机航向角的微分，为第 i个无人机相对于目标的方位角信息，为的微分，为第 i+1个无人机相对于目标的方位角信息，为的微分；

17、所述初始环绕控制算法的表达式为：

18、

19、所述目标环绕控制算法的表达式为：

20、

21、其中，为预设的环绕包围半径，为阻尼，为控制增益。

22、进一步的，利用所述方位角信息、各个无人机的航向信息和速度信息设计分布式速度控制算法，并根据所述分布式速度控制算法和所述环绕控制算法生成环绕包围控制指令和速度控制指令的步骤中，包括：

23、根据所述方位角信息、所述航向信息和所述速度信息，设计所述分布式速度控制算法；

24、根据所述分布式速度控制算法和所述目标环绕控制算法设计编队无人机的分布式协同包围控制算法；

25、根据所述分布式协同包围控制算法生成所述环绕包围控制指令和所述速度控制指令。

26、进一步的，所述分布式速度控制算法的表达式为：

27、

28、所述分布式协同包围控制算法的表达式为：

29、

30、其中，为速度控制指令，为第 i-1架无人机的速度，为待设计控制增益。

31、进一步的，所述高度控制器的表达式为：

32、

33、其中，为升降舵指令，为俯仰角回路比例增益，为俯仰角回路积分增益，为俯仰角速率回路增益，为高度回路比例增益，为高度回路微分增益，为高度回路积分增益，为给定高度指令，为高度反馈信号；

34、所述滚转角控制器的表达式为：

35、

36、其中，为滚转角输入指令，表示重力加速度，为副翼指令，为方向舵指令，为滚转角回路比例增益，为滚转角速率增益，为偏航角速率增益，为侧滑角增益，为副翼联动信号增益；

37、所述速度控制器的表达式为：

38、

39、其中，为油门指令，为速度回路比例增益，为速度回路积分增益。

40、本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

41、本公开的实施例中，通过上述使用方位角信息的多无人机编队协同包围目标控制方法，一方面，使用方位角信号设计相对位置估计器实现对目标的定位；基于方位角信号和相对位置估计器重构无人机相对目标的估计距离信息，利用估计距离信号和方位角信息设计目标环绕控制算法，实现单架无人机对目标的环绕；在定位和目标环绕控制算法的基础上，利用相对位置信息、方位角信息、无人机自身的速度信息和航向角，设计分布式速度协调控制器，实现多架无人机对目标的均匀环绕包围。另一方面，不需要无人机自身定位信息和目标的状态信息，仅需使用方位角信息，可以实现在拒止环境下的目标环绕包围任务。