方向约束下的无人机有限时间定点编队控制

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2025.05.020

现代防御技术 ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (5): 197-205.DOI: 10.3969/j.issn.1009-086x.2025.05.020

• 仿真技术 • 上一篇

方向约束下的无人机有限时间定点编队控制

陈庆¹, 周纯², 刘欣军³, 罗瑞君¹

^1.广州现代信息工程职业技术学院，广东广州 510000
^2.上海华讯网络系统有限公司，上海 201103
^3.广西大学计算机与电子信息学院，广西南宁 530004

收稿日期:2024-06-03 修回日期:2025-03-25 出版日期:2025-10-28 发布日期:2025-11-03
通讯作者: 罗瑞君
作者简介:陈庆（1975-），男，湖北荆州人。高工，硕士，主要研究方向为网络安全，智能控制。
基金资助:
国家自然科学基金(62003104);2024年度广东省普通高校特色创新类项目课题(2024KTSCX290)

Stationary Finite-time Formation Control of UAVs Under Bearing Constraints

Qing CHEN¹, Chun ZHOU², Xinjun LIU³, Ruijun LUO¹

^1.Guangzhou Modern Information Engineering College，Guangzhou 510000，China
^2.ECCOM Network System Co. ，Ltd. ，Shanghai 201103，China
^3.School of Computer，Electronics and Information，Guangxi University，Nanning 530004，China

Received:2024-06-03 Revised:2025-03-25 Online:2025-10-28 Published:2025-11-03
Contact: Ruijun LUO

摘要/Abstract

摘要：

针对无人机在方向约束条件下的有限时间定点编队控制问题，提出了一种基于方向信息的无人机有限时间定点编队控制方法。该方法仅依赖于相对方向信息，旨在确保无人机在预定的有限时间内实现目标编队。相较于现有控制方法，提出的策略引入了随时间变化的缩放增益机制，允许用户自定义收敛时间，并确保控制输入导数的连续性。研究还给出了确保几乎全局收敛性和避免无人机碰撞的充分条件。通过引入领航者-跟随者控制结构，该方法能够实现全局收敛，并设计了梯度下降方法以确保无人机在有限时间内完成编队任务。最后，为验证控制方法的有效性，在Simulink和Gazebo平台上进行了仿真实验，实验结果证明了策略的有效性。

关键词: 无人机编队, 有限时间收敛, 相对方向, 碰撞避免, Gazebo

Abstract:

To handle stationary formation control of unmanned aerial vehicles （UAVs） within a finite time under bearing constraints， a method for stationary finite-time formation control of UAVs based on bearing information was proposed. Relying solely on relative bearing information， this method aims to ensure that UAVs achieve the target formation within the predefined finite time. Compared to existing control methods， the proposed strategy introduced a time-varying scaling gain mechanism that allows users to customize convergence time and ensures the continuity of control input derivatives. This study also presented sufficient conditions for ensuring near-global convergence and preventing collisions between UAVs. By incorporating a leader-follower control structure， the method achieved global convergence and employed a gradient descent approach to ensure the UAVs complete the formation task within a finite time. To validate the effectiveness of the control method， simulation experiments were conducted on Simulink and Gazebo platforms. The results demonstrate the effectiveness of the strategy.

Key words: unmanned aerial vehicle（UAV） formation, finite-time convergence, relative bearing, collision avoidance, Gazebo

中图分类号:

V279

陈庆, 周纯, 刘欣军, 罗瑞君. 方向约束下的无人机有限时间定点编队控制[J]. 现代防御技术, 2025, 53(5): 197-205.

Qing CHEN, Chun ZHOU, Xinjun LIU, Ruijun LUO. Stationary Finite-time Formation Control of UAVs Under Bearing Constraints[J]. Modern Defense Technology, 2025, 53(5): 197-205.

图/表 9

图1 无人机编队控制系统示意图

Fig. 1 Control structure of UAV formation

图2 编队系统的期望结构

Fig. 2 Desire structure of formation systems

图3 编队系统控制效果

Fig. 3 Control effect of formation systems

图4 编队系统方向误差

Fig. 4 Bearing errors of formation systems

图5 编队系统速度跟踪误差

Fig. 5 Velocity tracking errors of formation systems

图6 Gazebo仿真下的编队效果

Fig. 6 Formation effect in Gazebo simulation

图7 基于Gazebo的编队系统控制效果

Fig. 7 Control effect of formation system in Gazebo

图8 基于Gazebo的编队系统方向误差

Fig. 8 Bearing errors of formation systems in Gazebo

图9 基于Gazebo的编队系统速度跟踪误差

Fig.9 Velocity tracking errors of formation systems in Gazebo

参考文献 21

[1]	戴邵武，赵超轮，李飞，等. 一种多约束下无人机编队的模型预测控制算法［J］. 控制与决策， 2023， 38（3）： 706-714.
	DAI Shaowu， ZHAO Chaolun， LI Fei， et al. An Algorithm of Model Predictive Control for Formation Control of a Multi-UAV System Considering Multiple Constraints［J］. Control and Decision， 2023， 38（3）： 706-714.
[2]	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， 64.
	MA Te， ZHENG Zhiyuan， ZHAO Junhu. Formation Control of Multiple UAVs and Distributed Game Problem［J］. Modern Defence Technology， 2021， 49（5）： 45-50， 64.
[3]	孙丰础，甘旭升. 无人机双机空战对抗侧向机动路径规划［J］. 现代防御技术， 2022， 50（3）： 109-118.
	SUN Fengchu， GAN Xusheng. Lateral Maneuver Path Planning of Two UAV Formation Air Combat［J］. Modern Defence Technology， 2022， 50（3）： 109-118.
[4]	SUN Zhiyong， MOU Shaoshuai， DEGHAT M， et al. Finite Time Distributed Distance-Constrained Shape Stabilization and Flocking Control for D-Dimensional Undirected Rigid Formations［J］. International Journal of Robust and Nonlinear Control， 2016， 26（13）： 2824-2844.
[5]	张宇宸，段海滨，魏晨. 基于深度强化学习的无人机集群数字孪生编队避障［J］. 工程科学学报， 2024， 46（7）： 1187-1196.
	ZHANG Yuchen， DUAN Haibin， WEI Chen. Digital Twin-Based Obstacle Avoidance Method for Unmanned Aerial Vehicle Formation Control Using Deep Reinforcement Learning［J］. Chinese Journal of Engineering， 2024， 46（7）： 1187-1196.
[6]	HU Junyan， NIU Hanlin， CARRASCO J， et al. Voronoi-Based Multi-robot Autonomous Exploration in Unknown Environments Via Deep Reinforcement Learning［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2020， 69（12）： 14413-14423.
[7]	KHAN A H， LI Shuai， CHEN Dechao， et al. Tracking Control of Redundant Mobile Manipulator： An RNN Based Metaheuristic Approach［J］. Neurocomputing， 2020， 400： 272-284.
[8]	VAN TRAN Q， TRINH M H， ZELAZO D， et al. Finite-Time Bearin-Only Formation Control via Distributed Global Orientation Estimation［J］. IEEE Transactions on Control of Network Systems， 2019， 6（2）： 702-712.
[9]	ZHANG Yuwei， LI Shaoshi， WANG Shaoping， et al. Distributed Bearing-Based Formation Maneuver Control of Fixed-Wing UAVs by Finite-Time Orientation Estimation［J］. Aerospace Science and Technology， 2023， 136： 108241.
[10]	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.
[11]	HUANG Yi， SUN Bowen， MENG Ziyang， et al. Adaptive Formation Tracking Control of Multiple Vertical Takeoff and Landing UAVs with Bearing-Only Measurements［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2024， 54（6）： 3491-3501.
[12]	HU Junyan， BHOWMICK P， LANZON A. Two-Layer Distributed Formation-Containment Control Strategy for Linear Swarm Systems： Algorithm and Experiments［J］. International Journal of Robust and Nonlinear Control， 2020， 30（16）： 6433-6453.
[13]	LIU Yutong， SHI Peng， LIM C C. Collision-Free Formation Control for Multi-Agent Systems with Dynamic Mapping［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems II： Express Briefs， 2020， 67（10）： 1984-1988.
[14]	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.
[15]	ZHAO Shiyu， ZELAZO D. Localizability and Distributed Protocols for Bearing-Based Network Localization in Arbitrary Dimensions［J］. Automatica， 2016， 69： 334-341.
[16]	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.
[17]	花翔宇，陈谋，雍可南，等. 基于事件触发队形优化的多四旋翼无人机协同吊挂运输系统控制［J］. 工程科学学报， 2024， 46（9）： 1535-1543.
	HUA Xiangyu， CHEN Mou， YONG Kenan， et al. Event-Triggered Formation Optimization-Based Cooperative Control for a Multiple Quadrotor Suspension Transport System［J］. Chinese Journal of Engineering， 2024， 46（9）： 1535-1543.
[18]	LI Yalu， LI Haitao， WANG Shuling. Finite-Time Consensus of Finite Field Networks with Stochastic Time Delays［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems II： Express Briefs， 2020， 67（12）： 3128-3132.
[19]	ZHAO Jianing， LI Xianwei， YU Xiao， et al. Finite-Time Cooperative Control for Bearing-Defined Leader-Following Formation of Multiple Double-Integrators［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2022， 52（12）： 13363-13372.
[20]	BAYEZIT İ， FIDAN B. Distributed Cohesive Motion Control of Flight Vehicle Formations［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2013， 60（12）： 5763-5772.
[21]	SEO J， KIM Y， KIM S， et al. Consensus-Based Reconfigurable Controller Design for Unmanned Aerial Vehicle Formation Flight［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering， 2012， 226（7）： 817-829.

方向约束下的无人机有限时间定点编队控制

Stationary Finite-time Formation Control of UAVs Under Bearing Constraints

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 3

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	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.
[2]	吴刚, 张科. 拦截大机动目标的有限时间收敛制导律[J]. 现代防御技术, 2022, 50(5): 43-51.
[3]	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.