基于状态观测器的无人机群编队操纵控制

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2025.03.013

现代防御技术 ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (3): 112-119.DOI: 10.3969/j.issn.1009-086x.2025.03.013

• 指挥控制与通信 • 上一篇

基于状态观测器的无人机群编队操纵控制

吴蜜¹, 陈先桥², 沈卫文¹

^1.武汉交通职业学院电子与信息工程学院，湖北武汉 430000
^2.武汉理工大学计算机与人工智能学院，湖北武汉 430000

收稿日期:2023-07-20 修回日期:2023-12-12 出版日期:2025-06-28 发布日期:2025-07-01
作者简介:吴蜜（1981-），女，湖北武汉人。副教授，硕士，研究方向为计算机网络技术、人工智能。
基金资助:
国家自然科学基金(62001337);湖北省教育科学规划课题(2021GB171)

State Observer-Based Formation Maneuvering Control of Unmanned Aircraft Swarms

Mi WU¹, Xianqiao CHEN², Weiwen SHEN¹

^1.School of Electronics and Information Engineering，Wuhan Technical College of Communications，Wuhan 430000，China
^2.School of Computer Science and Artificial Intelligence，Wuhan University of Technology，Wuhan 430000，China

Received:2023-07-20 Revised:2023-12-12 Online:2025-06-28 Published:2025-07-01

摘要/Abstract

摘要：

针对具有领导-跟随结构的无人机群系统编队操纵控制问题，设计基于方向信息的分布式编队控制器，从而实现无人机群的平移和旋转操作。目前存在的基于方向信息的编队控制方法无法解决时变方向编队控制问题，因此设计了一种状态观测器。该观测器仅利用相邻无人机的相对方向以及领导者的位置和速度信息来估计无人机的期望位置和速度。结合估计的期望速度，设计了反演控制器来实现编队系统的操纵控制。使用Lyapunov方法证明了观测器的估计误差和控制器的稳定性。通过平移和旋转的仿真实验验证了所提控制方法的有效性。

关键词: 相对方向, 编队控制, 无人机群, 操纵控制, 反演控制

Abstract:

We address the problem of formation maneuvering control of unmanned aircraft swarm systems with leader-follower structure， and design distributed formation controllers based on bearing information， so as to realize the translation and rotation maneuver control of unmanned aircraft swarms. To overcome the limitations of existing formation control methods based on bearing information when handling time-varying bearing formation， we design a state observer. This observer estimates the desired positions and velocities of the UAVs using relative bearing information from neighboring UAVs and the position and velocity information of the leader. A backstepping controller is designed based on the desired velocities to achieve the maneuver control of the formation system. The estimation error of the observer and the stability of the controller are proven using the Lyapunov method. The effectiveness of the proposed control method is validated through simulations involving translation and rotation maneuvers.

Key words: relative bearing, formation control, UAVs, maneuver control, backstepping controls

中图分类号:

V279

吴蜜, 陈先桥, 沈卫文. 基于状态观测器的无人机群编队操纵控制[J]. 现代防御技术, 2025, 53(3): 112-119.

Mi WU, Xianqiao CHEN, Weiwen SHEN. State Observer-Based Formation Maneuvering Control of Unmanned Aircraft Swarms[J]. Modern Defense Technology, 2025, 53(3): 112-119.

图/表 9

图1 目标编队和拓扑结构

Fig. 1 Target formation and topology structure

图2 平移操作编队控制效果

Fig. 2 Translation maneuver formation control effect

图3 方向误差

Fig. 3 Bearing errors

图4 速度跟踪误差

Fig. 4 Velocity tracking errors

图5 速度估计误差

Fig. 5 Velocity estimation errors

图6 旋转操作编队控制效果

Fig. 6 Rotation maneuver formation control effect

图7 方向误差

Fig. 7 Bearing errors

图8 速度跟踪误差

Fig. 8 Velocity tracking errors

图9 速度估计误差

Fig. 9 Velocity estimation errors

参考文献 21

1	杨丽娜，曹泽阳，李勇祥. 无人机蜂群作战构成及作战概念研究［J］. 现代防御技术， 2020， 48（4）： 44-51.
	YANG Lina， CAO Zeyang， LI Yongxiang. Research on the Operational Structure and Concept of Unmanned Aerial Swarm［J］. Modern Defence Technology， 2020， 48（4）： 44-51.
2	江波，屈若锟，李彦冬，等. 基于深度学习的无人机航拍目标检测研究综述［J］. 航空学报， 2021， 42（4）： 131-145.
	JIANG Bo， QU Ruokun， LI Yandong， et al. Object Detection in UAV Imagery Based on Deep Learning： Review［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（4）： 131-145.
3	YAN Ziwei， HAN Liang， LI Xiaoduo， et al. Event-Triggered Formation Control for Time-Delayed Discrete-Time Multi-agent System Applied to Multi-UAV Formation Flying［J］. Journal of the Franklin Institute， 2023， 360（5）： 3677-3699.
4	WANG Ximan， BALDI S， FENG Xuewei， et al. A Fixed-Wing UAV Formation Algorithm Based on Vector Field Guidance［J］. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering， 2023， 20（1）： 179-192.
5	DOU Liqian， CAI Siyuan， ZHANG Xiuyun， et al. Event-Triggered-based Adaptive Dynamic Programming for Distributed Formation Control of Multi-UAV［J］. Journal of the Franklin Institute， 2022， 359（8）： 3671-3691.
6	张卫东，刘笑成，韩鹏. 水上无人系统研究进展及其面临的挑战［J］. 自动化学报， 2020， 46（5）： 847-857.
	ZHANG Weidong， LIU Xiaocheng， HAN Peng. Progress and Challenges of Overwater Unmanned Systems［J］. Acta Automatica Sinica， 2020， 46（5）： 847-857.
7	MISHRA B， GARG D， NARANG P， et al. Drone-Surveillance for Search and Rescue in Natural Disaster［J］. Computer Communications， 2020， 156： 1-10.
8	张启钱，许卫卫，张洪海，等. 复杂低空物流无人机路径规划［J］. 北京航空航天大学学报， 2020， 46（7）： 1275-1286.
	ZHANG Qiqian， XU Weiwei， ZHANG Honghai， et al. Path Planning for Logistics UAV in Complex Low-Altitude Airspace［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2020， 46（7）： 1275-1286.
9	PENG Zhouhua， WANG Dan， LI Tieshan， et al. Output-Feedback Cooperative Formation Maneuvering of Autonomous Surface Vehicles with Connectivity Preservation and Collision Avoidance［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2020， 50（6）： 2527-2535.
10	ZHAO Shiyu， LIN Feng， PENG Kemao， et al. Distributed Control of Angle-Constrained Cyclic Formations Using Bearing-Only Measurements［J］. Systems & Control Letters， 2014， 63： 12-24.
11	ZHAO Shiyu， ZELAZO D. Bearing Rigidity Theory and Its Applications for Control and Estimation of Network Systems： Life Beyond Distance Rigidity［J］. IEEE Control Systems Magazine， 2019， 39（2）： 66-83.
12	ZHAO Shiyu， LI Zhenhong， DING Zhengtao. Bearing-Only Formation Tracking Control of Multiagent Systems［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2019， 64（11）： 4541-4554.
13	LI Zhenhong， TNUNAY H， ZHAO Shiyu， et al. Bearing-Only Formation Control with Prespecified Convergence Time［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2022， 52（1）： 620-629.
14	LI Xiaolei， WEN Changyun， FANG Xu， et al. Adaptive Bearing-Only Formation Tracking Control for Nonholonomic Multiagent Systems［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2022， 52（8）： 7552-7562.
15	CHEN Liangming， MEI Jie， LI Chuanjiang， et al. Distributed Leader-Follower Affine Formation Maneuver Control for High-Order Multiagent Systems［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2020， 65（11）： 4941-4948.
16	GARCIA DE MARINA H， JAYAWARDHANA B， CAO Ming. Distributed Rotational and Translational Maneuvering of Rigid Formations and Their Applications［J］. IEEE Transactions on Robotics， 2016， 32（3）： 684-697.
17	XU Yang， ZHAO Shiyu， LUO Delin， et al. Affine Formation Maneuver Control of High-Order Multi-agent Systems Over Directed Networks［J］. Automatica， 2020， 118： 109004.
18	ZHANG Yuwei， WANG Xingjian， WANG Shaoping， et al. Distributed Bearing-Based Formation Control of Unmanned Aerial Vehicle Swarm Via Global Orientation Estimation［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2022， 35（1）： 44-58.
19	ZHANG Yuwei， WANG Shaoping， WANG Xingjian， et al. Bearing-Based Formation Control for Multiple Underactuated Autonomous Surface Vehicles with Flexible Size Scaling［J］. Ocean Engineering， 2023， 267： 113242.
20	ZHAO Shiyu， ZELAZO D. Translational and Scaling Formation Maneuver Control Via a Bearing-Based Approach［J］. IEEE Transactions on Control of Network Systems， 2017， 4（3）： 429-438.
21	ZHAO Shiyu， ZELAZO D. Localizability and Distributed Protocols for Bearing-Based Network Localization in Arbitrary Dimensions［J］. Automatica， 2016， 69： 334-341.

[1]	屈长虹, 宋钰, 王坤, 崔清勇, 陈蒋洋. 基于PSO算法的反无地基战术激光系统部署方法[J]. 现代防御技术, 2023, 51(5): 15-24.
[2]	李碧燕, 胡顺. 基于方向信息的无人机群编队控制算法[J]. 现代防御技术, 2023, 51(2): 55-61.
[3]	武梅丽文, 王晓东, 宋勋, 陈燕飞. 线性二次型及模型预测控制编队控制研究[J]. 现代防御技术, 2021, 49(1): 47-52.
[4]	李春, 宋晓程, 李芳芳. 多无人机编队协同控制软件平台设计与仿真[J]. 现代防御技术, 2018, 46(6): 143-150.

基于状态观测器的无人机群编队操纵控制

State Observer-Based Formation Maneuvering Control of Unmanned Aircraft Swarms

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 9

参考文献 21

相关文章 4

编辑推荐

Metrics

本文评价