本公開實施例涉及飛行控制，尤其涉及一種使用方位角信息的多無人機編隊協(xié)同包圍目標(biāo)控制方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，無人機因其高效率、低成本、受環(huán)境限制少、高機動性和靈活性的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于編隊搜索、路徑跟蹤、協(xié)同定位、環(huán)繞包圍等領(lǐng)域。其中多無人機編隊協(xié)同執(zhí)行對地面目標(biāo)的環(huán)繞與包圍任務(wù)，可以有效實現(xiàn)對目標(biāo)的偵察、監(jiān)視，搜集目標(biāo)信息，提高態(tài)勢感知能力，進一步地，為后續(xù)定向驅(qū)離、協(xié)同攻擊提供關(guān)鍵信息。

2、環(huán)繞包圍控制作為一種提高無人機自主水平的控制技術(shù)，通過攜帶的傳感器獲取目標(biāo)的狀態(tài)信息，從而制定相應(yīng)的控制策略實現(xiàn)對目標(biāo)的環(huán)繞包圍，進一步地，執(zhí)行目標(biāo)定位、區(qū)域監(jiān)測和搜查等多種關(guān)鍵任務(wù)。對于現(xiàn)有的多數(shù)多無人機協(xié)同環(huán)繞包圍控制方法而言，其控制方法的設(shè)計通常假設(shè)可以獲取目標(biāo)的完備信息如位置、速度等，這往往需要付出高昂的代價并增加無人機自身暴露的風(fēng)險。對于一些特定應(yīng)用場景下的非合作目標(biāo)而言，無人機難以獲取到目標(biāo)的位置先驗信息，上述控制方法將難以適用。另外，隨著區(qū)域拒止技術(shù)和反無人機技術(shù)的發(fā)展，使得無人機的gps信號可能會受到欺騙、遮蔽或者干擾，這對無人機的生存環(huán)境和環(huán)繞控制技術(shù)的設(shè)計構(gòu)成了嚴(yán)峻考驗。因此，探究如何在gps拒止環(huán)境下的環(huán)繞包圍控制算法更具有現(xiàn)實意義。

3、盡管針對拒止環(huán)境下的環(huán)繞包圍控制算法涌現(xiàn)了諸多成果，如僅使用距離量測信息或者使用距離、距離變化率信息設(shè)計環(huán)繞控制算法，或者使用測距信息和方位角信息設(shè)計算法，對于使用距離量測信息而言，其本質(zhì)上屬于一種主動探測方式，需要無人機不斷發(fā)射信號來獲取相對目標(biāo)的距離，這無疑會增加無人機暴露的風(fēng)險。使用距離變化率信息，由于量測噪聲的存在，無論是采取差分濾波還是數(shù)值微分的方式均會導(dǎo)致存在較大的誤差，導(dǎo)致算法性能下降。而對于同時使用測距信息和方位角信息的算法而言，需要同時安裝測距傳感器和方位傳感器，這增加了無人機的成本。此外，任意一個傳感器失效均會導(dǎo)致算法的性能下降或者算法失效。因此，研究在探測資源約束下采用被動探測方式獲取的方位角信息來設(shè)計環(huán)繞控制方法更具應(yīng)用價值。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本技術(shù)提供一種使用方位角信息的多無人機編隊協(xié)同包圍目標(biāo)控制方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在使用距離變化率信息，由于量測噪聲的存在，無論是采取差分濾波還是數(shù)值微分的方式均會導(dǎo)致存在較大的誤差，導(dǎo)致算法性能下降。而對于同時使用測距信息和方位角信息的算法而言，需要同時安裝測距傳感器和方位傳感器，增加了無人機的成本的問題。

2、根據(jù)本公開實施例，提供一種使用方位角信息的多無人機編隊協(xié)同包圍目標(biāo)控制方法，該方法包括：

3、利用目標(biāo)的方位角信息設(shè)計相對位置估計器；

4、利用所述相對位置估計器重構(gòu)實際距離信息，以得到估計距離信息，并根據(jù)所述方位角信息和所述估計距離信息設(shè)計目標(biāo)環(huán)繞控制算法；

5、利用所述方位角信息、各個無人機的航向信息和速度信息設(shè)計分布式速度控制算法，并根據(jù)所述分布式速度控制算法和所述環(huán)繞控制算法生成控制指令組，其中，所述控制指令組包括速度控制指令、高度控制指令和滾轉(zhuǎn)角控制指令；

6、分別將所述控制指令輸入至控制器組中，以實現(xiàn)所有所述無人機對所述目標(biāo)的均勻環(huán)繞包圍，其中，所述控制器組包括速度控制器、高度控制器和滾轉(zhuǎn)角控制器。

7、進一步的，相對位置估計器的表達(dá)式為：

8、

9、其中，為相對位置向量的估計值，為二階單位矩陣，為待設(shè)計增益，為無人機航向角，為無人機速度，為無人機相對目標(biāo)視線連線上的單位向量。

10、進一步的，利用所述相對位置估計器重構(gòu)實際距離信息，以得到估計距離信息，并根據(jù)所述方位角信息和所述估計距離信息設(shè)計目標(biāo)環(huán)繞控制算法的步驟中，包括：

11、基于無人機協(xié)同包圍目標(biāo)的相對運動學(xué)方程，根據(jù)所述目標(biāo)的所述方位角信息和實際距離信息構(gòu)建初始環(huán)繞控制算法；

12、利用所述相對位置估計器重構(gòu)實際距離信息，以得到所述估計距離信息，并利用所述估計距離信息替換所述實際距離信息；

13、根據(jù)所述方位角信息和所述估計距離信息設(shè)計目標(biāo)環(huán)繞控制算法。

14、進一步的，所述相對運動學(xué)方程的表達(dá)式為：

15、

16、其中，為無人機相對目標(biāo)距離的微分，為側(cè)向角的微分信號，為相位分離角的微積分，為無人機航向角的微分，為第 i個無人機相對于目標(biāo)的方位角信息，為的微分，為第 i+1個無人機相對于目標(biāo)的方位角信息，為的微分；

17、所述初始環(huán)繞控制算法的表達(dá)式為：

18、

19、所述目標(biāo)環(huán)繞控制算法的表達(dá)式為：

20、

21、其中，為預(yù)設(shè)的環(huán)繞包圍半徑，為阻尼，為控制增益。

22、進一步的，利用所述方位角信息、各個無人機的航向信息和速度信息設(shè)計分布式速度控制算法，并根據(jù)所述分布式速度控制算法和所述環(huán)繞控制算法生成環(huán)繞包圍控制指令和速度控制指令的步驟中，包括：

23、根據(jù)所述方位角信息、所述航向信息和所述速度信息，設(shè)計所述分布式速度控制算法；

24、根據(jù)所述分布式速度控制算法和所述目標(biāo)環(huán)繞控制算法設(shè)計編隊無人機的分布式協(xié)同包圍控制算法；

25、根據(jù)所述分布式協(xié)同包圍控制算法生成所述環(huán)繞包圍控制指令和所述速度控制指令。

26、進一步的，所述分布式速度控制算法的表達(dá)式為：

27、

28、所述分布式協(xié)同包圍控制算法的表達(dá)式為：

29、

30、其中，為速度控制指令，為第 i-1架無人機的速度，為待設(shè)計控制增益。

31、進一步的，所述高度控制器的表達(dá)式為：

32、

33、其中，為升降舵指令，為俯仰角回路比例增益，為俯仰角回路積分增益，為俯仰角速率回路增益，為高度回路比例增益，為高度回路微分增益，為高度回路積分增益，為給定高度指令，為高度反饋信號；

34、所述滾轉(zhuǎn)角控制器的表達(dá)式為：

35、

36、其中，為滾轉(zhuǎn)角輸入指令，表示重力加速度，為副翼指令，為方向舵指令，為滾轉(zhuǎn)角回路比例增益，為滾轉(zhuǎn)角速率增益，為偏航角速率增益，為側(cè)滑角增益，為副翼聯(lián)動信號增益；

37、所述速度控制器的表達(dá)式為：

38、

39、其中，為油門指令，為速度回路比例增益，為速度回路積分增益。

40、本公開的實施例提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果：

41、本公開的實施例中，通過上述使用方位角信息的多無人機編隊協(xié)同包圍目標(biāo)控制方法，一方面，使用方位角信號設(shè)計相對位置估計器實現(xiàn)對目標(biāo)的定位；基于方位角信號和相對位置估計器重構(gòu)無人機相對目標(biāo)的估計距離信息，利用估計距離信號和方位角信息設(shè)計目標(biāo)環(huán)繞控制算法，實現(xiàn)單架無人機對目標(biāo)的環(huán)繞；在定位和目標(biāo)環(huán)繞控制算法的基礎(chǔ)上，利用相對位置信息、方位角信息、無人機自身的速度信息和航向角，設(shè)計分布式速度協(xié)調(diào)控制器，實現(xiàn)多架無人機對目標(biāo)的均勻環(huán)繞包圍。另一方面，不需要無人機自身定位信息和目標(biāo)的狀態(tài)信息，僅需使用方位角信息，可以實現(xiàn)在拒止環(huán)境下的目標(biāo)環(huán)繞包圍任務(wù)。