一種時變通信下的多空天飛行器協同軌跡跟蹤控制方法及裝置

1.本發明涉及飛行器軌跡跟蹤方法，更具體地，涉及一種時變通信下的多空天飛行器協同軌跡跟蹤控制方法及裝置。


背景技術：

2.多智能體系統在多種各類任務中具有很大優勢，應用廣泛：地面飛行器協同控制、航空編隊、水下機器人編隊以及集群等。隨之而來的多智能體協同控制問題則成為研究熱點。中國已經成功建立國家空間站，戰略空間的拓展帶來新的問題，即外太空任務條件下，單個飛行器已經不適用于有些任務，這時候必須由多飛行器編隊完成任務，相比于傳統的單個空天飛行器，編隊空天飛行器具有靈活性好、可靠性高、成本低等優勢，空天飛行器編隊技術在航天器在軌服務、深空探測、航天器跟蹤監視等領域有著廣泛的應用，考慮到多飛行器的協同控制，受限于通信鏈路服務質量，如果出現機間信息流紊亂，單機與編隊無法互聯或者信息量受限，在機間需要產生一個魯棒性的協同控制策略，應對通信限制，保證安全，進行避碰。


技術實現要素：

3.提供了本發明以解決現有技術中存在的上述問題。本發明是一種時變通信下的多空天飛行器協同軌跡跟蹤控制方法及裝置，能夠在機間通信網絡的支撐下通過調節多機之間速度來實現整個機群的協同，使用一種基于比例積分方法的分布式魯棒協同控制律，通過改進l1自適應控制方法應用與速度控制回路的增穩控制來應對通信拓撲結構時變條件下出現的速度震蕩現象，保證整個協同控制閉環系統的穩定一致性。
4.本發明具體采用如下技術方案：
5.根據本發明的第一方案，提供一種時變通信下的多空天飛行器協同軌跡跟蹤控制方法，所述方法包括：
6.在l1自適應控制結構中加入一個線性pid或非線性pid來提高指令追蹤的精度，消除追蹤過程中的時滯現象；
7.所述線性pid表示為：
[0008][0009]
其中，u(t)為輸入信號，k
p
為比例系數，e(t)為偏差信號，ki為積分系數， kd為微分系數，為偏差信號的導數；
[0010]
所述非線性pid表示為：
[0011]
[0012]
其中，u(t)為輸入信號，k
p
為比例系數，ki為積分系數，e0(t)、e1(t)、e2(t) 分別為三個通道輸送的偏差信號；
[0013]
給定一條飛行物可飛的空間軌跡作為期望空間軌跡；
[0014]
控制飛行物在滿足特定約束條件的前提下收斂到所述期望空間軌跡。
[0015]
根據本發明的第二方案，提供一種時變通信下的多空天飛行器協同軌跡跟蹤控制裝置，所述裝置包括l1自適應控制結構和軌跡生成模塊，所述l1 自適應控制結構包括一個線性pid或非線性pid；
[0016]
所述線性pid表示為：
[0017][0018]
其中，u(t)為輸入信號，k
p
為比例系數，e(t)為偏差信號，ki為積分系數， kd為微分系數，為偏差信號的導數；
[0019]
所述非線性pid表示為：
[0020][0021]
其中，u(t)為輸入信號，k
p
為比例系數，ki為積分系數，e0(t)、e1(t)、e2(t) 分別為三個通道輸送的偏差信號；
[0022]
所述軌跡生成模塊被配置為給定一條飛行物可飛的空間軌跡作為期望空間軌跡；
[0023]
所述l1自適應控制結構被配置為控制飛行物在滿足特定約束條件的前提下收斂到所述期望空間軌跡。
[0024]
根據本發明各個方案的時變通信下的多空天飛行器協同軌跡跟蹤控制方法及裝置，首次提出關于太空多飛行器的編隊協同控制，首次提出基于l1 自適應控制的改進方法。
附圖說明
[0025]
在不一定按比例繪制的附圖中，相同的附圖標記可以在不同的視圖中描述相似的部件。具有字母后綴或不同字母后綴的相同附圖標記可以表示相似部件的不同實例。附圖大體上通過舉例而不是限制的方式示出各種實施例，并且與說明書以及權利要求書一起用于對所發明的實施例進行說明。在適當的時候，在所有附圖中使用相同的附圖標記指代同一或相似的部分。這樣的實施例是例證性的，而并非旨在作為本裝置或方法的窮盡或排他實施例。
[0026]
圖1為改進l1自適應控制系統閉環結構圖。
[0027]
圖2為非線性pid控制器結構。
[0028]
圖3為多飛行物協同軌跡跟蹤問題框架圖。
[0029]
圖4為速度增穩控制回路結構框圖。
具體實施方式
[0030]
為使本領域技術人員更好的理解本發明的技術方案，下面結合附圖和具體實施方
式對本發明作詳細說明。下面結合附圖和具體實施例對本發明的實施例作進一步詳細描述，但不作為對本發明的限定。本文中所描述的各個步驟，如果彼此之間沒有前后關系的必要性，則本文中作為示例對其進行描述的次序不應視為限制，本領域技術人員應知道可以對其進行順序調整，只要不破壞其彼此之間的邏輯性導致整個流程無法實現即可。
[0031]
本發明實施例提供一種時變通信下的多空天飛行器協同軌跡跟蹤控制方法。該方法首先對現有的l1自適應控制方法進行改進。l1自適應控制其核心思想是通過在控制回路中引入低通濾波器，將自適應回路和控制回路解耦，從而使得系統能夠在不犧牲魯棒性的同時快速適應參數或干擾的不確定變化。本發明通過在l1自適應控制結構中加入一個非線性pid控制器來提高指令追蹤的精度，消除追蹤過程中的時滯現象，同時在瞬態性能上，改進l1方法較原始方法有所提升，進一步增強了方法的實用性。改進l1自適應控制系統閉環結構如圖1所示。
[0032]
本實施例在l1自適應控制結構中加入一個線性/非線性pid項來提高指令追蹤的精度，消除追蹤過程中的時滯現象。
[0033]
線性pid：
[0034][0035]
其中，u(t)為輸入信號，k
p
為比例系數，e(t)為偏差信號，ki為積分系數， kd為微分系數，為偏差信號的導數；
[0036]
非線性pid：
[0037][0038]
其中，u(t)為輸入信號，k
p
為比例系數，ki為積分系數，e0(t)、e1(t)、e2(t) 分別為三個通道輸送的偏差信號。
[0039]
非線性pid控制器結構如圖2所示。
[0040]
基于改進后的l1自適應控制結構，采用軌跡生成算法給定一條飛行物可飛的空間軌跡作為期望空間軌跡，并讓飛行物在滿足特定約束條件的前提下盡可能快的收斂到第一部分中生成的期望空間軌跡。
[0041]
定義軌跡跟蹤問題：對于給定的飛行器，在滿足可行約束的前提下，設計俯仰速率q(t)，偏航速率r(t)以及虛擬目標前進速率的反饋控制律，使得所有的閉環系統信號有界并且軌跡跟蹤誤差向量x
pf
收斂到零。
[0042]
上面描述的可以理解為基于改進l1自適應控制方法的飛行器軌跡跟蹤控制策略，該控制策略定義了運動學層面上的飛行物軌跡跟蹤問題，明確了控制的目標和對象，并且將飛行器軌跡跟蹤控制問題分解為內、外兩個回路，分別設計了基于動態逆方法的外環引導控制律，以及基于改進l1自適應控制方法的飛行器內環自適應增穩控制器。
[0043]
定義多機協同軌跡跟蹤問題：如圖3和圖4所示，給定n架飛行器和期望空間軌跡p
d,i
(td)，且各架飛行器彼此間的通信受機間通信網絡支持，對所有飛行器設計俯仰速率q(t)、偏航速率r(t)以及速度v(t)的反饋控制律，滿足：
[0044]
(1)所有閉環信號有界；
[0045]
(2)對每架飛行器i，j＝1,...,n，軌跡跟蹤誤差向量收斂到零；
[0046]
(3)對任意兩架飛行器i和j，i,j＝1,...,n，協同誤差l
′
i-l
′j以及協同狀態變化率均收斂到零，并且確保滿足任務的時間約束；
[0047]
分布式的協同控制率表示為：
[0048][0049][0050][0051]
其中，飛行器n
l
≤n被選擇作為虛擬長機，k
p
和ki是正的協同控制增益，為協同控制律，l
′i(t)為第i個協同狀態的變化率，l
′j(t)為第j個協同狀態的變化率，l
fi
為第i架飛行器的總的路徑長度，v
d，i
為第i架飛行器的期望速度，χ
i，i
(t)為第i架飛行器與其相鄰的飛行器的距離之和，為第i架飛行器與其相鄰的飛行器的距離之和的導數。
[0052]
上述考慮通信拓撲時變約束的多飛行器協同軌跡跟蹤控制策略不僅將問題描述為機器人領域經典的一致性問題，推導建立了協同控制的問題模型，還設計了一種基于比例積分方法的分布式魯棒協同控制律，在針對通信拓撲結構時變條件下出現的速度震蕩現象時，將改進l1自適應控制方法應用與速度控制回路的增穩控制，保證整個協同控制閉環系統的穩定一致性。
[0053]
本發明實施例還提供了一種時變通信下的多空天飛行器協同軌跡跟蹤控制裝置，其特征在于，所述裝置包括l1自適應控制結構和軌跡生成模塊，所述l1自適應控制結構包括一個線性pid或非線性pid；
[0054]
所述線性pid表示為：
[0055][0056]
其中，u(t)為輸入信號，k
p
為比例系數，e(t)為偏差信號，ki為積分系數， kd為微分系數，為偏差信號的導數；
[0057]
所述非線性pid表示為：
[0058][0059]
其中，u(t)為輸入信號，k
p
為比例系數，ki為積分系數，e0(t)、e1(t)、e2(t) 分別為三個通道輸送的偏差信號。
[0060]
所述軌跡生成模塊被配置為給定一條飛行物可飛的空間軌跡作為期望空間軌跡；
[0061]
所述l1自適應控制結構被配置為控制飛行物在滿足特定約束條件的前提下收斂到所述期望空間軌跡。
[0062]
在一些實施例中，所述軌跡生成模塊被進一步配置為通過軌跡生成算法給定一條飛行物可飛的空間軌跡作為期望空間軌跡。
[0063]
在一些實施例中，所述l1自適應控制結構被進一步配置為：對于給定的飛行器，在滿足可行約束的前提下，設計俯仰速率q(t)，偏航速率r(t)以及虛擬目標前進速率的反饋控制律，使得所有的閉環系統信號有界并且軌跡跟蹤誤差向量x
pf
收斂到零。
[0064]
在一些實施例中，所述l1自適應控制結構被進一步配置為：
[0065]
定義多機協同軌跡跟蹤問題：給定n架飛行器和期望空間軌跡p
d,i
(td)，且各架飛行器彼此間的通信受機間通信網絡支持，對所有飛行器設計俯仰速率q(t)、偏航速率r(t)以及速度v(t)的反饋控制律，滿足：
[0066]
(1)所有閉環信號有界；
[0067]
(2)對每架飛行器i，j＝1,...,n，軌跡跟蹤誤差向量收斂到零；
[0068]
(3)對任意兩架飛行器i和j，i,j＝1,...,n，協同誤差l
′
i-l
′j以及協同狀態變化率均收斂到零，并且確保滿足任務的時間約束；
[0069]
分布式的協同控制率表示為：
[0070][0071][0072][0073]
其中，飛行器n
l
≤n被選擇作為虛擬長機，k
p
和ki是正的協同控制增益，為協同控制律，l
′i(t)為第i個協同狀態的變化率，l
′j(t)為第j個協同狀態的變化率，l
fi
為第i架飛行器的總的路徑長度，v
d，i
為第i架飛行器的期望速度，χ
i，i
(t)為第i架飛行器與其相鄰的飛行器的距離之和，為第i架飛行器與其相鄰的飛行器的距離之和的導數。
[0074]
本發明實施例所述的裝置與在先闡述的方法屬于同一技術思路，能夠起到同樣的技術效果，此處不贅述。
[0075]
此外，盡管已經在本文中描述了示例性實施例，其范圍包括任何和所有基于本發明的具有等同元件、修改、省略、組合(例如，各種實施例交叉的方案)、改編或改變的實施例。權利要求書中的元件將被基于權利要求中采用的語言寬泛地解釋，并不限于在本說明書中或本技術的實施期間所描述的示例，其示例將被解釋為非排他性的。因此，本說明書和示例旨在僅被認為是示例，真正的范圍和精神由以下權利要求以及其等同物的全部范圍所指示。
[0076]
以上描述旨在是說明性的而不是限制性的。例如，上述示例(或其一個或更多方案)可以彼此組合使用。例如本領域普通技術人員在閱讀上述描述時可以使用其它實施例。另外，在上述具體實施方式中，各種特征可以被分組在一起以簡單化本發明。這不應解釋為一種不要求保護的發明的特征對于任一權利要求是必要的意圖。相反，本發明的主題可以少于特定的發明的實施例的全部特征。從而，以下權利要求書作為示例或實施例在此并入
具體實施方式中，其中每個權利要求獨立地作為單獨的實施例，并且考慮這些實施例可以以各種組合或排列彼此組合。本發明的范圍應參照所附權利要求以及這些權利要求賦權的等同形式的全部范圍來確定。