基于方向信息的无人机群编队控制算法

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2023.02.007

现代防御技术 ›› 2023, Vol. 51 ›› Issue (2): 55-61.DOI: 10.3969/j.issn.1009-086x.2023.02.007

基于方向信息的无人机群编队控制算法

李碧燕¹, 胡顺²

^1.广西生态工程职业技术学院汽车与信息工程学院，广西柳州 545004
^2.广西师范大学教育学部，广西桂林 541004

收稿日期:2022-04-26 修回日期:2022-10-22 出版日期:2023-04-28 发布日期:2023-05-05
通讯作者: 胡顺
作者简介:李碧燕（1984-），女，广西贺州人。讲师，学士，研究方向为人工智能、教育技术、新媒体技术、图像处理。
基金资助:
国家自然科学基金项目(61967002)

Formation Control of UAV Swarm with Bearing-Only Measurements

Biyan LI¹, Shun HU²

^1.School of Automotive and Information Engineering, Guangxi Eco-engineering Vocational and Technical College, Liuzhou 545004, China
^2.Faculty of Education, Guangxi Normal University, Guilin 541004, China

Received:2022-04-26 Revised:2022-10-22 Online:2023-04-28 Published:2023-05-05
Contact: Shun HU

摘要/Abstract

摘要：

针对无人机群的速度跟踪编队控制设计了基于方向信息的控制策略，其中无人机的控制器设计只依赖于临近无人机的相对方向，从而可以应用于无人机群通信受阻的情况。通过设计基于方向信息的比例积分控制器完成了无人机群编队系统的速度跟踪问题，控制器的稳定性分析采用了基本Lyapunov函数的方法，与基于优化策略和持续激励方法相比更利于控制策略扩展应用到更加复杂的情形中。最后，分别通过定点和速度跟踪编队控制仿真实验，验证了控制方法的有效性。

关键词: 无人机群, 方向测量, 编队控制, 速度跟踪, 分布式控制

Abstract:

In this paper， a control strategy based on bearing-only measurements is designed for the velocity-tracking formation control of an unmanned aerial vehicle （UAV） swarm. The controller design of UAVs only depends on the relative bearing of an adjacent UAV， which can be applied to a situation where the communication of the UAV swarm is blocked. The velocity tracking of the UAV swarm formation system is achieved by the design of the proportional integral controller based on bearing-only measurements. The stability of the controller is analyzed by the basic Lyapunov function， which is more conducive to the extension and application of the control strategy to more complex situations than the method based on the optimization strategy and continuous excitation. Finally， the effectiveness of the proposed control method is verified by fixed and velocity-tracking formation control simulations.

Key words: unmanned aerial vehicle（UAV） swarm, bearing-only measurement, formation control, velocity tracking, distributed control

中图分类号:

V279

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.

Biyan LI, Shun HU. Formation Control of UAV Swarm with Bearing-Only Measurements[J]. Modern Defense Technology, 2023, 51(2): 55-61.

图/表 6

表1 相关参数和变量说明

Table 1 Description of relevant parameters and variables

参数	说明
$q i$	无人机i的位置向量
$e i j$	无人机j到无人机i的位置向量
$g i j$ ， $g i j *$	无人机j到无人机i的相对方向及期望值
$k p, k i$	控制器的控制参数
$v i$	无人机i的速度
$H$	无人机群关联矩阵

表1 相关参数和变量说明

Table 1 Description of relevant parameters and variables

参数	说明
$q i$	无人机i的位置向量
$e i j$	无人机j到无人机i的位置向量
$g i j$ ， $g i j *$	无人机j到无人机i的相对方向及期望值
$k p, k i$	控制器的控制参数
$v i$	无人机i的速度
$H$	无人机群关联矩阵

图1 目标编队结构

Fig. 1 Structure of target formation

图2 固定编队控制效果

Fig. 2 Control Effect of fixed formation

图3 固定编队跟随者方向误差

Fig. 3 Followers’ bearing errors of fixed formation

图4 速度跟踪编队控制效果

Fig. 4 Control effect of velocity-tracking formation

图5 速度跟踪编队控制跟随者方向误差

Fig. 5 Followers’ bearing errors under velocity-tracking formation contol

参考文献 21

1	孙长银，穆朝絮.多智能体深度强化学习的若干关键科学问题［J］.自动化学报，2020，46（7）：1301-1312.
	SUN Changyin， MU Chaoxu. Important Scientific Problems of Multi-agent Deep Reinforcement Learning［J］. Acta Automatica Sinica，2020，46（7）：1301-1312.
2	孙新勇，吴杰，侯至丞，等.输入饱和约束下多智能体群的有限时间一致［J］. 控制理论与应用，2020，37（11）：2391-2397.
	SUN Xinyong， WU Jie， HOU Zhicheng， et al. Finite-Time Consensus of Multi-agent Systems with Input Saturations Constraints［J］. Control Theory & Applications，2020，37（11）：2391-2397.
3	ZHOU Xingyu， WANG Haoping， TIAN Yang， et al. Consensus Tracking via Quantized Iterative Learning Control for Singular Nonlinear Multi-agent Systems with State Time-Delay and Initial State Error［J］. Nonlinear Dynamics， 2021，103：2701-2719.
4	ARANDA M， LÓPEZ-NICOLÁS G， SAGÜÉS C， et al. Coordinate-Free Formation Stabilization Based on Relative Position Measurements［J］. Automatica， 2015， 57：11-20.
5	ARANDA M， LÓPEZ-NICOLÁS G， SAGUES C， et al. Distributed Formation Stabilization Using Relative Position Measurements in Local Coordinates［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2016， 61（12）：3925-3935.
6	Oh Kwang-Kyo， Ahn Hyo-Sung. Distance-Based Undirected Formations of Single-Integrator and Double-Integrator Modeled Agents in n-Dimensional Space［J］. International Journal of Robust and Nonlinear Control， 2014， 24（12）： 1809-1820.
7	MENG Z， SHI G， JOHANSSON K H， et al. Behaviors of Networks with Antagonistic Interactions and Switching Topologies［J］. Automatica， 2016， 73： 110-116.
8	ZHAO Shiyu， ZELAZO D. Bearing Rigidity and Almost Global Bearing-Only Formation Stabilization［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2015， 61（5）： 1255-1268.
9	YE Mengbin， ANDERSON B D O， YU Changbin. Multiagent Self-Localization Using Bearing only Measurements ［C］∥52nd IEEE Conference on Decision and Control， IEEE， Palazzo dei Congressi， 2013： 2157-2162.
10	DEGHAT M， SHAMES I， ANDERSON B D O， et al. Localization and Circumnavigation of a Slowly Moving Target Using Bearing Measurements［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2014， 59（8）： 2182-2188..
11	TRINH M H， ZHAO Shiyu， SUN Zhiyang， et al. Bearing-Based Formation Control of a Group of Agents with Leader-First Follower Structure［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2018， 64（2）： 598-613.
12	ZHAO Jianing， YU Xiao， LI Xianwei， et al. Bearing-Only Formation Tracking Control of Multi-agent Systems with Local Reference Frames and Constant-Velocity Leaders［J］. IEEE Control Systems Letters， 2020， 5（1）： 1-6.
13	SHAO Jingping， TIAN Yuping. Multi-target Localisation and Circumnavigation by a Multi-agent System with Bearing Measurements in 2D Space［J］. International Journal of Systems Science， 2018， 49（1）： 15-26.
14	NI Junkang， WEN Changyun， ZHAO Yu. Fixed-Time Leader-Follower Quantized Output Consensus of High-Order Multi-Agent Systems Over Digraph［J］. Information Sciences， 2022， 587： 408-434.
15	WU Kefan， HU Junyan， LENNOX B， et al. Finite-Time Bearing-Only Formation Tracking of Heterogeneous Mobile Robots with Collision Avoidance［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems II： Express Briefs， 2021， 68（10）： 3316-3320.
16	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.
17	ZHAO Shiyu， ZELAZO D. Bearing Rigidity and Almost Global Bearing-Only Formation Stabilization［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2015， 61（5）： 1255-1268.
18	TANG Zhiqi， CUNHA R， HAMEL T， et al. Formation Control of a Leader-Follower Structure in Three Dimensional Space Using Bearing Measurements［J］. Automatica， 2021， 128（1）： 109567.
19	YAN Bing， SHI Peng， LIM C C， et al. Optimal Robust Formation Control for Heterogeneous Multi-agent Systems Based on Reinforcement Learning［J］. International Journal of Robust and Nonlinear Control， 2022， 32（5）： 2683-2704.
20	CHEN Liangming， SUN Zhiyong. Gradient-Based Bearing-Only Formation Control： An Elevation Angle Approach［J］. Automatica， 2022， 141： 110310.
21	ZHAO Shiyu， ZELAZO D. Localizability and Distributed Protocols for Bearing-Based Network Localization in Arbitrary Dimensions［J］. Automatica， 2016， 69： 334-341.

[1]	马特, 郑致远, 赵军虎. 分布式多无人机编队控制与博弈算法研究[J]. 现代防御技术, 2021, 49(5): 45-50.
[2]	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.
[3]	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.

基于方向信息的无人机群编队控制算法

Formation Control of UAV Swarm with Bearing-Only Measurements

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 6

参考文献 21

相关文章 3

编辑推荐

Metrics

本文评价