本發(fā)明涉及自動(dòng)控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于聚類人工勢(shì)場(chǎng)法的平流層飛艇集群區(qū)域覆蓋控制方法。

背景技術(shù)：

1、平流層飛艇是一種運(yùn)行于平流層底部高度20km至22km高度處的浮空器。平流層飛艇依靠自身所攜帶的輕質(zhì)氣體(如he，h2等)產(chǎn)生凈浮力實(shí)現(xiàn)升空和駐空飛行，利用太陽(yáng)能電池及儲(chǔ)能電池建立循環(huán)能源系統(tǒng)，配備高空推進(jìn)螺旋槳與姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)可控機(jī)動(dòng)飛行和高空區(qū)域駐留。其具有駐空時(shí)間長(zhǎng)、有效載荷大、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在區(qū)域監(jiān)視、通信中繼和氣象觀測(cè)等方面極具使用價(jià)值。

2、從當(dāng)前平流層飛艇應(yīng)用研究成果來看，多艇集群將是臨近空間飛艇部署應(yīng)用的主要形式。覆蓋控制技術(shù)是平流層飛艇集群能夠充分發(fā)揮其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。利用覆蓋控制技術(shù)能夠合理分配集群資源，在重要區(qū)域內(nèi)形成密集監(jiān)控，提高集群資源的利用率和任務(wù)執(zhí)行效率。

3、平流層飛艇集群區(qū)域覆蓋控制技術(shù)主要應(yīng)用于廣域警戒巡邏、災(zāi)區(qū)應(yīng)急通訊、目標(biāo)偵察等場(chǎng)景中，其目標(biāo)是以最小代價(jià)完成對(duì)時(shí)敏目標(biāo)的長(zhǎng)時(shí)有效覆蓋。在此類場(chǎng)景中需重點(diǎn)關(guān)注以下技術(shù)難點(diǎn)：未知區(qū)域全探索、通訊資源受限以及復(fù)雜氣象條件下的路徑規(guī)劃。傳統(tǒng)的覆蓋控制技術(shù)多采用維諾劃分框架對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行劃分，此類方法僅適用于目標(biāo)區(qū)域?yàn)槎S緊致凸平面的情況，且需要將區(qū)域內(nèi)敏感目標(biāo)的分布作為先驗(yàn)信息。而平流層飛艇集群覆蓋任務(wù)的實(shí)際場(chǎng)景多為具有不規(guī)則邊界、未知目標(biāo)分布情況的非凸區(qū)域，傳統(tǒng)覆蓋控制方法難以適用。亟需開發(fā)充分考慮平流層飛艇集群特殊飛行環(huán)境及任務(wù)約束下的覆蓋控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于聚類人工勢(shì)場(chǎng)法的平流層飛艇集群區(qū)域覆蓋控制方法，實(shí)現(xiàn)平流層飛艇集群的對(duì)地覆蓋任務(wù)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種基于聚類人工勢(shì)場(chǎng)法的平流層飛艇集群區(qū)域覆蓋控制方法，包括以下步驟：

3、s1、建立平流層飛艇對(duì)地覆蓋信道模型，分配覆蓋目標(biāo)；

4、s2、基于聚類方法得到各集群?jiǎn)卧谕母采w部署中心位置；

5、s3、建立動(dòng)態(tài)人工勢(shì)場(chǎng)，得到平流層飛艇集群的期望位置；

6、s4、建立平流層飛艇動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)平流層飛艇動(dòng)態(tài)跟蹤控制器跟蹤平流層飛艇集群期望位置。

7、優(yōu)選的，步驟s1，基于小尺度衰落與路徑衰減，選擇信噪比作為衡量平流層飛艇與地面目標(biāo)通信質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)；并根據(jù)地面目標(biāo)相對(duì)于平流層飛艇集群中單元的信噪比，將地面目標(biāo)分配給信噪比最大的平流層飛艇單元，獲得分配給各平流層飛艇單元的地面目標(biāo)集合；

8、其中，信噪比的公式為：

9、

10、式中，sinr為信噪比，pr為有效信號(hào)強(qiáng)度，iagg為干擾信號(hào)強(qiáng)度，n0為隨機(jī)擾動(dòng)；

11、pr＝pt(ploshl+(1-plos)hn)

12、式中，pt為信號(hào)發(fā)射增益，plos為視線傳輸概率，hl為視線傳輸路徑衰減項(xiàng)，hn為非視線傳輸路徑衰減項(xiàng)。

13、優(yōu)選的，步驟s2中，各集群?jiǎn)卧谕采w部署中心點(diǎn)cci的公式如下：

14、

15、式中，cci為飛艇集群?jiǎn)卧猧的期望覆蓋部署中心點(diǎn)，j為地面目標(biāo)集合ui中第j個(gè)地面目標(biāo)，posui,j為地面目標(biāo)集合ui中第j個(gè)地面目標(biāo)當(dāng)前的位置，nui為地面目標(biāo)集合ui中包含的地面目標(biāo)總數(shù)。

16、優(yōu)選的，步驟s3包括：

17、s31、計(jì)算動(dòng)態(tài)人工勢(shì)場(chǎng)，包括區(qū)域邊界勢(shì)場(chǎng)、集群?jiǎn)卧g排斥勢(shì)場(chǎng)、覆蓋中心吸引勢(shì)場(chǎng)和時(shí)變風(fēng)勢(shì)場(chǎng)，具體如下：

18、potsum,i(q)＝pote,i(q)+pota,i(q)+potc,i(q)+potw,i(q)

19、式中，potsum,i(q)為第i個(gè)平流層飛艇單元的總動(dòng)態(tài)人工勢(shì)場(chǎng)能量，pote,i(q)、pota,i(q)、potc,i(q)、potw,i(q)分別為第i個(gè)平流層飛艇單元的區(qū)域邊界勢(shì)場(chǎng)能量、集群?jiǎn)卧g排斥勢(shì)場(chǎng)能量、覆蓋中心吸引勢(shì)場(chǎng)能量、時(shí)變風(fēng)勢(shì)場(chǎng)能量；

20、s32、以平流層飛艇單元當(dāng)前位置為中心，以固定距離選取若干鄰點(diǎn)，并獲取各個(gè)鄰點(diǎn)的總動(dòng)態(tài)人工勢(shì)場(chǎng)能量值，將總動(dòng)態(tài)人工勢(shì)場(chǎng)能量值最大的點(diǎn)作為平流層飛艇單元的期望位置。

21、優(yōu)選的，步驟s31包括：

22、區(qū)域邊界勢(shì)場(chǎng)計(jì)算方法為：

23、

24、式中，pote,i(q)為第i個(gè)平流層飛艇單元的區(qū)域邊界勢(shì)場(chǎng)能量，q為區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)，ke為區(qū)域邊界勢(shì)場(chǎng)增益，de為區(qū)域邊界勢(shì)場(chǎng)作用范圍，為第i個(gè)平流層飛艇單元到區(qū)域邊界的距離；

25、集群?jiǎn)卧g排斥勢(shì)場(chǎng)計(jì)算方法為：

26、

27、式中，pota,i(q)為第i個(gè)平流層飛艇單元的集群?jiǎn)卧g排斥勢(shì)場(chǎng)能量，ka為集群?jiǎn)卧g排斥勢(shì)場(chǎng)增益，da為區(qū)域邊界勢(shì)場(chǎng)作用范圍，為區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)q到第j個(gè)平流層飛艇單元之間的距離，n為平流層飛艇集群中包含的平流層飛艇總個(gè)數(shù)；

28、覆蓋中心吸引勢(shì)場(chǎng)計(jì)算方法為：

29、

30、式中，potc,i(q)為第i個(gè)平流層飛艇單元的覆蓋中心吸引勢(shì)場(chǎng)能量，kc為覆蓋中心吸引勢(shì)場(chǎng)增益，為區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)q到第i個(gè)平流層飛艇單元對(duì)應(yīng)的期望覆蓋部署中心點(diǎn)cci的距離；

31、時(shí)變風(fēng)勢(shì)場(chǎng)計(jì)算方法為：

32、potw,i(q)＝kwexp(wind(q))

33、式中，potw,i(q)為時(shí)變風(fēng)勢(shì)場(chǎng)能量，kw為時(shí)變風(fēng)勢(shì)場(chǎng)增益，wind(q)為區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)q處的風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速值。

34、優(yōu)選的，步驟s4包括：

35、s41、根據(jù)牛頓第二定律，建立平流層飛艇動(dòng)力學(xué)模型；

36、s42、根據(jù)反步控制設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)平流層飛艇動(dòng)態(tài)跟蹤控制器。

37、優(yōu)選的，步驟s41包括建立平流層飛艇動(dòng)力學(xué)方程組，具體如下：

38、

39、其中，

40、xi＝[xi,yi,ψi]t

41、θi＝[ui,vi,ri]t

42、τi＝[τu,τv,τr]t

43、式中，xi為第i個(gè)平流層飛艇位置與航向角的導(dǎo)數(shù)，xi為第i個(gè)平流層飛艇當(dāng)前的位置與航向角，θi為第i個(gè)平流層飛艇的速度與角速度，為第i個(gè)平流層飛艇的速度與角速度導(dǎo)數(shù)，xi、yi、ψi分別為第i個(gè)平流層飛艇的橫向位置坐標(biāo)、縱向位置坐標(biāo)和航向角，ri為第i個(gè)平流層飛艇的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣，ui、vi、r分別為第i個(gè)平流層飛艇的橫向速度、縱向速度、偏航角速度，mi為第i個(gè)平流層飛艇的質(zhì)量矩陣，ni為第i個(gè)平流層飛艇的模型非線性項(xiàng)矩陣，fa,i為第i個(gè)平流層飛艇所受氣動(dòng)力矩陣，τi＝[τu,τv,τr]t為第i個(gè)平流層飛艇的控制力。

44、優(yōu)選的，步驟s42包括：

45、設(shè)計(jì)飛艇位置、姿態(tài)控制器，具體如下：

46、

47、式中，θid為期望速度與角速度，為期望位置與航向角的導(dǎo)數(shù)，k1＝diag{k1,1,k1,2,k1,3}為控制參數(shù)，為位置與航向角誤差；

48、設(shè)計(jì)飛艇速度、角速度控制器，具體如下：

49、

50、式中，τd是期望的控制力，為速度與角速度誤差，k2＝diag{k2,1,k2,2,k2,3}為控制參數(shù)。

51、因此，本發(fā)明采用上述一種基于聚類人工勢(shì)場(chǎng)法的平流層飛艇集群區(qū)域覆蓋控制方法，具有以下技術(shù)效果：

52、(1)能夠在時(shí)變風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)平流層飛艇集群對(duì)地面目標(biāo)的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)覆蓋，降低了平流層飛艇集群覆蓋任務(wù)受環(huán)境風(fēng)的影響。

53、(2)建立動(dòng)態(tài)人工勢(shì)場(chǎng)統(tǒng)一框架，同時(shí)考慮對(duì)地覆蓋任務(wù)中的飛行區(qū)域邊界約束、強(qiáng)風(fēng)區(qū)規(guī)避約束、集群間避碰約束和覆蓋部署中心跟蹤約束，大大降低了任務(wù)的復(fù)雜度。

54、(3)設(shè)計(jì)平流層飛艇動(dòng)態(tài)跟蹤控制器，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)平流層飛艇集群期望位置的跟蹤。

55、下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。