编队飞行

编队飞行（精选5篇）

编队飞行 篇1

摘要：为解决主从机编队飞行问题,以柱面坐标系为参考坐标系,建立长机与僚机之间的相对运动模型。考虑编队飞行系统所受干扰上确界未知,提出无人机编队队形保持的短时记忆控制律。仿真结果表明,控制能够抑制较大干扰,使系统迅速到达期望状态。控制律简单、快速、有效,对编队飞行实现自主飞行有重要意义。

关键词：编队飞行,误差模型,记忆控制,无人机编队,仿真

0 引言

无人机具有重量轻,尺寸小,机动性高,隐蔽性好,适应性强等特点,在军事和民事领域受到广泛关注。随着社会需求的提高,单架无人机在大量场合已无法满足人们的要求。科学研究者模仿生物的某些能力,提出了无人机编队飞行的概念。

无人机编队飞行,是指多架无人机按照一定的形状进行排列,并使其在整个过程中保持队形不变或者相对位置在一定范围内变动。无人机编队飞行既可提高作战效率,弥补单架无人机执行任务时面临的问题,又可提高作战效率,减少能耗,具有独特的优势和发展前景。

无人机编队飞行的控制研究主要集中在无人机相对运动模型的建立和寻找有效控制策略两个方面。前者是研究无人机编队飞行控制的基础;后者是实现队形稳定,减小气流影响的关键。阎振鑫等建立了二维编队飞行模型[1]。Li Bin等采用柱面坐标系,建立了三维编队模型[2]。Jovan D Boskovic等提出了基于球形参考坐标系的三维编队模型[3]王正等建立了旋转参考坐标系,建立了三维空间双机编队飞行的动力学模型[4]。在控制策略方面,Bin Zuo等人采用PID方法对无人机编队进行控制[5]。王正等提出了一个在惯性坐标系中基于新的误差形式的全局渐进稳定的、无奇异点的编队控制算法[6]。Elham Semsar采用反馈线性化的设计思想设计了控制器[7]。Y D Song等则通过构造Lypunov势函数,设计了一种三维编队鲁棒控制律[8]。除了传统的控制方法,先进控制在无人机编队飞行中也获得了大量应用,如刘小雄等提出了一种自适应控制策略[9]。万婧等采用模糊控制对编队飞行进行控制[10]。其他先进控制,如最优控制[11]、神经网络控制[12]等也获得了大量研究。随着控制算法的发展及无人机编队飞行任务要求的提高,一些新的控制算法,如退火递归神经网络控制[13]、粒子群算法[14]等也获得了应用研究,并取得一定成果。

在无人机编队飞行中,自主控制占据很重要的地位,这对于减少地面站的支持,减少编队飞行的费用有着重大的意义。如何找到一种简单的控制算法,减少机上控制器的运算时间,成为问题的关键。现在所提出的一些控制算法太过复杂,需要进行长时间的运算,并不能满足实时控制的要求。记忆控制只需要采集系统最近几个时刻的状态信息随着时间的增长控制器所需要的内存空间保持不变。而且其算法的结构极为简单,通过选取合适的采样时间T,能够对系统的外界干扰迅速做出反应,并将其维持在系统控制所允许的范围内。记忆控制算法简单、快速,并且不需要很大的内存空间,这对于减少机上控制器的运算时间,实现无人机编队飞行实时自主控制是很有效的。

1 系统模型的建立

1.1 相对运动方程

由图1可得到在僚机本体坐标系中相对位移向量r的表达式,过程如下:

其中:

式中:下标l代表长机(Leader);下标w代表僚机(Wingman)。

对于密集队形,重要的是要精确保持僚机与长机的横轴、纵轴以及竖轴方向之间相隔一定的距离,以防止发生相撞事件。这里定义长机与僚机的相对距离分别为:

为了得到相对运动方程需要对r求导,根据转动坐标系下向量的求导法则可得:

式中:。可得到相对运动方程为:

1.2 误差模型分析

设计控制方法,使得以参数xr,yr,hr表示的僚机与长机之间的相对位置,保持在期望的值上,即设计前进速度控制、航向角控制和高度控制,使得:

式中:xd,yd,hd是在x,y,z坐标轴上期望的编队距离,引入分离误差:

现在控制目标变成了设计控制输入前进速度控制、航向角控制和高度控制使分离误差为零。运用以上得到的相对运动方程可得到横轴、纵轴和竖轴的编队误差运动学方程为:

其中:

简单地比较上面的飞行误差会发现,用这个坐标进行运算会出现奇异情况,为了避免这种情况设置如下的坐标变换:

其中:

通过这样的坐标变化避免了在后面计算中出现分母为零的情况,并且可以证实:可以保证,因此,只需要控制参数E,就可以达到控制误差的目的。

对经过坐标变换的误差方程求导可以得到:

式中:B(θ),A(φe),R(xr,yr)均为前文中提到的数学表达式。

再次对﹒E求导后可得到的数学表达式:

这里:

1.3 飞行动力学方程

通过以上建立的本体坐标系和惯性坐标系,描述无人机前进速度、航向角和高度的飞行动力学方程可建立如下:

式中:分别表示前进速度、航向角和上升高度;gv,gφ,gh是系统控制增益;uv,uφ,uh是控制输入;非线性动力学特性及涡流效应以及外部干扰用Δfv,Δfφ,Δfh表示。为了进一步的应用,将式(7)表示为:

或:

将飞行动力学方程代入误差方程经二次求导后的¨E中,可简化得到公式:

2 编队飞行记忆控制器设计

Y.D.Song对短时记忆控制的原理进行了详细的说明[15],读者可参阅相关文献,不再一一赘述。

为了便于探讨利用欧拉微分法对式离散化,有:

同样:

将上述两式进行相减得到:

基于记忆控制的原理,设计一个控制器:

将设计的控制器代入式(13)可得:

选取合适的、比较小的采样时间T,当系统的参数和外部干扰的变化不是很剧烈时(符合大部分的实际情况),误差Ek+1将会很小。于是所设计的控制器的参数为:

3 Matlab仿真及结果分析

3.1 初始化

为了仿真的简便性,假设长机、僚机在一个平面内,即它们的垂直距离之差为零。长机、僚机的条件,参数以及仿真的控制要求见表1。

设定干扰函数为:

在仿真过程中,需要将其离散化,离散化后的形式为:

3.2 运行结果及分析

由图2,图3可知,所设计的控制器对x,y通道上的干扰抑制能力较强,偏差幅值都在很小的范围内波动,在理想的误差范围内,控制效果良好。

由图4,图5可知,僚机和长机之间的相对距离在x,y轴上的分量xr,yr很快趋于各自的期望值xd,yd,达到了控制目的。在干扰的作用下,xr,yr在期望值很小的范围内波动。

从整个仿真结果来看,记忆控制能够很快的对外界干扰做出反应,并且将干扰对系统的影响维持在一个很小的范围内。系统能够在很短的时间内到达期望的状态。控制作用简单、快速、有效。但是记忆控制存在着缺点。在控制的初始阶段,控制量有可能很大,超出了系统的门限值,并且其控制类似于开关控制这种硬性控制,在某些场合下是不能应用的。此外,还可以看到,通过选择较小的T,虽然能使较大干扰的影响维持在很小的范围内但却不能消除这种影响误差始终在一个范围内波动。因此,在控制的初始阶段加入门限控制,或者采用其他的控制与其结合,使控制更加平滑,是很有必要的。此外,将预测控制或自适应控制与记忆控制相融合,是系统的最终的误差更小或消除,也是值得研究的问题。

4 结语

以柱面坐标系为参考坐标系,建立了长机与僚机之间的相对运动模型。考虑编队飞行系统所受干扰上确界未知,提出无人机编队队形保持的短时记忆控制律。仿真结果表明。通过选取较小的采样时间T,短时记忆控制能够抑制较大的外界干扰,将其对系统的影响限制在很小的范围内。控制的响应时间非常迅速,能够使系统在很短的时间内到达期望的状态,对实现无人机编队飞行的实时自主控制,有着重要的意义。控制律简单、快速有效。

编队飞行 篇2

研究了卫星编队飞行相对位置保持的脉冲控制方法.分析基于动力学模型的周期脉冲控制策略,讨论其工程可实现性,并在考虑存在较大测量噪声情况下提出了周期多步脉冲控制的方法.数字仿真的`结果比较显示了这种多步脉冲控制方法的有效性.

作 者：郭碧波 李立涛 强文义 梁斌 李成 Guo Bibo Li Litao Qiang Wenyi Liang Bin Li Cheng 作者单位：郭碧波,强文义,Guo Bibo,Qiang Wenyi(哈尔滨工业大学控制科学与工程系,哈尔滨,150001)

李立涛,梁斌,李成,Li Litao,Liang Bin,Li Cheng(哈尔滨工业大学深圳研究院深圳空间技术发展中心,深圳,518057)

编队飞行 篇3

自20世纪90年代以来, 基于小卫星技术的编队飞行概念逐渐受到重视。卫星编队飞行的目的是将复杂的系统通过一定的空间分解, 将其功能分散到多个相对简单的系统中, 然后将多个相对简单的系统按一定的规律“虚拟”出一个庞大复杂、功能强大的系统, 降低成本和风险[1]。根据小卫星编队飞行的任务需求, 设计合理的编队飞行控制系统结构和规划调度系统至关重要。本文针对小卫星编队飞行的自主控制系统和规划调度系统的设计进行研究, 为后续的多颗微小卫星编队地面物理仿真、空间运行试验奠定基础。

2. 小卫星编队飞行自主控制系统的主要设计

从小卫星编队飞行的任务需求上看, 自主控制系统首先要满足有效载荷工作的需求, 其后还需要满足由此衍生出的编队自身的要求。因此, 小卫星编队飞行需要进行两个层次的自主控制:编队系统的自主控制和单颗卫星的自主控制[2]。卫星编队系统的自主控制主要完成星座级的状态感知, 决策和执行功能。

根据卫星编队飞行的任务特点, 本文采用分布式自主控制系统结构进行设计。实际应用中, 存在多种分布式自主控制系统结构, 例如主从式控制结构、团队控制结构、对等控制结构等。这几种控制结构之间不存在绝对的优劣势之分, 采用何种形式的控制结构受到多种条件的约束。这里基于功能设计的视角, 从功能分配的角度进行设计, 具体设计如图1所示:

卫星编队自主控制层由中心控制体和多个功能模块组成。其中:“星座中心控制体”负责将各个功能集成到一起, 完成核心控制功能;“编队卫星状态和功能模块”的主要功能是收集和存储星座的状态和功能知识, 采用功能模型进行描述;“编队卫星任务管理、规划调度”是卫星编队自主控制的决策核心, 它根据编队飞行的任务, 利用编队卫星的状态和功能, 进行规划和调度, 产生合理的任务序列, 分配给各个卫星;规划和调度模块采用基于模型的智能推理方式进行工作。

单颗卫星的自主控制主要根据上层分配的任务, 完成具体的载荷操作, 状态测量, 轨道维持, 姿态调整等任务。单颗卫星的自主控制系统采用基于中心控制体的多Agent协作方式, 该结构既实现了基于结构、功能的系统分解, 又实现了对系统的集中式控制。

系统体系结构包括中心控制体和多个功能子Agent。中心控制体又由三个Agent组成, 主控Agent (MCA) 、规划调度Agen (PSA) 、故障修复重构Agent (MRA) 。功能子Agent是相对独立的功能模块, 它可以和中心控制体进行通信, 负责管理系统的局部资源 (对应的子系统资源) , 和硬件直接进行交互。这一设计思路一方面增强了功能子Agent的智能性, 另一方面, 将中心控制体的功能交由多个Agent来实现, 还增强了系统的鲁棒性, 减轻了对单个Agent的压力。

3. 小卫星编队飞行规划调度系统的主要设计

小卫星编队飞行时, 需要各个参与个体共同配合来完成飞行任务, 这就需要一个系统级的任务规划与调度系统, 它可以简单的理解为根据飞行任务目标和在轨飞行可用资源制定在轨运行的子任务和指令序列, 各个节点根据这些序列来完成飞行任务。因此, “编队卫星飞行规划调度系统”是卫星编队自主控制的决策核心[3]。在这样的需求条件下, 设计合理的编队飞行规划调度系统尤其重要。规划和调度系统采用基于模型的智能推理方式进行工作, 它由任务管理、星座状态、星座功能模型、推理机等部分组成, 具体结构。

其中, 任务管理器负责管理编队卫星需要完成的任务, 包括日常状态测量, 根据状态测量结果产生队形保持任务, 完成载荷操作任务, 根据需要完成地面通信和星间通信等;星座状态模块负责描述编队卫星当前的状态, 它一方面描述编队卫星当前的相对位置、相对姿态、轨道等信息, 另一方面, 它需要描述编队卫星的资源现状、功能现状等;编队卫星功能模型是进行规划和调度的最主要知识基础, 主要描述两个方面的内容, 一是对一个给定的任务, 用一个模型进行描述, 二是描述编队卫星有哪些资源和资源的特性;推理机是规划与调度系统的智能核心, 主要任务是根据编队卫星功能模型和当前状态, 分解飞行任务, 根据资源状况进行调度, 消除冲突, 对飞行任务序列进行优化等;在推理过程中需要利用队形保持策略等专业知识, 把这些知识看作一个独立的专家系统, 它和编队卫星功能模型之间建立接口关系。

4. 结束语

小卫星编队飞行的自主控制和规划调度是小卫星编队飞行研究的重点和难点, 本文根据小卫星编队飞行的特点, 从功能分配的角度对小卫星编队飞行的自主控制系统设计进行了研究, 构建了编队卫星飞行规划调度系统的体系结构, 给出了初步可行的系统方案。

参考文献

[1]Jesse Leither, Distributed Spacecraft Systems Technology Development Program[R], NASA, Goddard Space Flight Center, April27, 2001

[2]代树武, 孙辉先.卫星运行中的自主控制技术[J].空间科学学报, 2002, 22 (2) :147～153

编队飞行 篇4

无人机编队飞行是无人机及其应用技术发展研究的新热点.在分析无人机编队飞行特点的`基础上,阐述了无人机编队飞行原理与方法的研究现状,并展望了其今后的主要应用前景.

作 者：李文皓 张珩 LI Wen-Hao ZHANG Heng  作者单位：中国科学院,力学研究所,北京,100080 刊 名：飞行力学  ISTIC PKU英文刊名：FLIGHT DYNAMICS 年，卷(期)： 25(1) 分类号：V279 关键词：无人机   编队飞行   任务规划   研究现状  

编队飞行 篇5

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摘要：该报告的内容按编队卫星飞行的星间绝对距离测量与时间统一、编队构型的精确控制两部分独立展开。编队测量方面:完成了星间相对导航、精确定位的方案设计, 主要是基于飞秒激光飞行时间的绝对距离测量方法与基于压电偏摆镜的锁相环路实现的。利用由主星发射的三路独立的飞秒激光绝对距离测量获得子星靶标的3个微米精度的绝对信息, 其中微米精度是由飞秒激光的高时间分辨本领决定的;利用压电偏摆镜的锁相环路建立了星间自由光通信链路, 使得测距激光脉冲能够实时跟踪自由漂浮的子卫星角锥棱镜。给出了基于飞秒激光的相对导航以及基于压电偏摆镜的跟瞄系统锁相环路的设计方案并基于已有条件测试了压电偏摆装置的稳定性, 设计了跟瞄与测距系统集成方案, 为三路测距与跟瞄、并实现精确定位的实验演示验证打下了基础。实验上, 针对小卫星搭载的需求, 建立了一台高稳定性、高集成度、全保偏结构的掺铒光纤飞秒激光源, 测距、跟瞄与星间时钟统一的工作将主要依赖该飞秒激光源展开。编队控制方面:分析了编队卫星的动力学机理。以近距离航天器相对运动方程为基础, 分析了编队飞行的基本特性, 分析了不同动力学模型的特点, 确立了不同应用场合下动力学模型的选取准则。然后, 考虑到微小卫星质量与载荷限制导致携带燃料有限, 而编队初始化是个能耗较大的变轨过程, 基于Gauss伪谱法为编队初始化过程设计了最优轨迹。最后, 研究了卫星编队构型保持控制问题。首先确定了主从式的卫星编队协同控制结构。在该控制结构下, 基于非线性相对轨道模型, 分别采用传统滑模控制方法、自适应滑模控制方法设计了构型保持控制器, 并对所设计的控制算法进行了仿真验证, 验证了所设计控制算法的鲁棒性。

关键词：飞秒,绝对距离测量,光束跟踪,自适应滑模法