【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及無人機技術，尤其是涉及一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法。
技術介紹
1、近年來，無人機技術在現代社會中的應用越來越廣泛，涉及軍事、民用等多個領域，如偵察、物流、農作物監控、環境監測等。在這些應用中，無人機技術的創新推動多種任務的實現，特別是在遠程監控和長時間飛行任務中，固定翼無人機因其更長的續航時間和更大的飛行范圍表現得尤為突出。相比旋翼無人機，固定翼無人機具有更高的速度和航程，能夠更好地完成長距離、長時間的復雜任務。
2、在無人機的協同任務中，路徑跟隨是一種常用的控制方法，能夠有效地引導無人機沿預定路徑飛行。路徑跟隨不要求對時間進行嚴格同步，這使得該方法在不同時刻的任務場景下更加靈活，從而允許無人機在合作執行任務時靈活安排相對幾何位置，如群體編隊等復雜任務。協同路徑跟隨可以分為兩層：上層包括路徑參數一致性協議和制導律的設計，下層則涉及控制律的設計。在現有的制導方法中，視線法制導的應用較為廣泛，常用于無人機和導彈等飛行器的路徑跟隨、打擊等任務中。
3、在許多實際應用場景中，快速響應和高精度執行是至關重要的，傳統的漸近穩定制導律可能會導致系統在需要快速反應的任務中表現不佳，路徑跟隨的精度和效率無法得到有效保證。為了提高路徑跟隨的精度和效率，研究者提出了有限時間和固定時間的制導律(s.wang,et?al.,“predictor-based?fixed-time?los?path?following?control?ofunderactuated?usv?with?unknown
4、對于無人機的控制系統來說，除路徑跟隨的設計外，還必須應對飛行過程中的不確定性和擾動，如傳感器誤差、外界干擾、執行器磨損以及溫度變化等。這些不確定因素會顯著影響無人機的控制精度和穩定性，尤其是在高速飛行和復雜環境下。由于神經網絡具有良好的非線性逼近能力，在面對以上問題時，基于神經網絡的自適應控制方法顯示出較好的不確定性逼近和補償效果(s.ullah,et?al.,“neuro-adaptive?fast?integralterminal?sliding?mode?control?design?with?variable?gain?robust?exactdifferentiator?for?under-actuated?quadcopter?uav,”isa?transactions,vol.120,pp.293–304,2022)。這些方法利用神經網絡對系統的未知動態進行逼近，從而提高控制精度和系統魯棒性。在復雜系統的控制任務中，預定時間控制結合神經網絡的非線性逼近能力，提供一種高效、魯棒的解決方案。
5、此外，在設計控制算法時，需要同時考慮到算法的瞬態和穩態性能，這些指標往往難以兼顧。為了解決達到更好的效果，研究者提出預設性能控制(prescribed-performancecontrol,ppc)方法，基于等價變換后的誤差系統構造控制律，將誤差約束在預設的性能包絡內，使系統能兼顧瞬態和穩態性能(w.gong,et?al.“prescribed-time?extended?stateobserver?and?prescribed?performance?control?of?quadrotor?uavs?againstactuator?faults,”aerospace?science?and?technology,vol.138,p.108322,2023)。
6、綜上分析，現有技術在無人機多維路徑跟隨、控制系統收斂時間、對擾動的補償等方面仍然存在諸多不足。傳統的漸近穩定制導律無法滿足任務對快速響應的需求，且現有的方法對系統參數的依賴仍然較強，增加控制器設計的復雜性。同時，現有的預設性能控制方法雖然能夠有效地約束誤差，但大多未能提供明確的收斂時間，限制其實時控制應用的范圍。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于針對現有技術存在的以上問題，提供一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法。提出基于預定時間穩定性、神經網絡自適應控制和預設性能控制的多無人機協同路徑跟隨控制策略，該方法可使多架固定翼無人機在面臨外部擾動、執行器故障的情況下實現路徑跟隨誤差的預定時間收斂和控制信號跟蹤誤差的預定時間預設性能收斂，從而完成高精度和快速響應的協同路徑跟隨編隊控制任務，同時提升控制的精度和魯棒性。
2、為實現上述專利技術目的，本專利技術提供以下技術方案。
3、一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法，包括以下步驟：
4、1)構建固定翼無人機的數學模型，通過引入剩余執行器效能對角矩陣和偏差故障向量，模擬執行器的有效性下降和偏差，使用超雙曲正切函數(htf)處理物理約束，定義匯總不確定性；
5、2)給定各無人機期望路徑，并確定編隊構型；通過為每架固定翼無人機定義期望路徑，確保無人機在協同飛行過程中能夠準確跟隨預定的路徑，并設定路徑跟隨誤差、速度誤差和路徑參數誤差的約束；
6、3)設計預定義時間觀測器，所述使用預定義時間觀測器獲取虛擬領導者路徑參數，實現路徑參數同步；
7、4)基于虛擬領導者的估計，設計路徑參數一致性控制律，實現所有無人機的路徑參數逐步與虛擬領導者的路徑參數同步，并在預定時間內收斂；
8、5)設計預定時間los制導律，引入serret-frenet坐標系對無人機的三維運動進行描述，在該坐標系下，構建基于自適應los的三維制導律，構建lyapunov函數確保無人機在預定時間內收斂于參考路徑，無人機路徑跟隨誤差收斂于0；
9、6)設計自組織神經網絡估計器用于近似和補償不確定性，設計輸入輔助系統補償狀態約束帶來的影響，確保控制輸入在存在約束條件的情況下穩定實現控制目標；
10、7)設計預定時間預設性能控制律，使無人機對制導速度和角度的跟蹤誤差保持在期望的包絡內，并隨時間逐漸收斂到指定范圍內；
11、8)解算控制律，得到作用于固定翼無人機的控制指令，實現對無人機的運動控制。
12、在步驟1)中，所述構建固定翼無人機的數學模型的具體步驟可為：
13、首先對n架本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法，其特征在于包括以下步驟：
2.如權利要求1所述一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法，其特征在于在步驟1)中，所述構建固定翼無人機的數學模型的具體步為：
3.如權利要求1所述一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法，其特征在于在步驟2)中，所述給定各無人機期望路徑，并確定編隊構型，具體的：通過為每架無人機定義期望路徑，確保無人機在協同飛行過程中能夠準確跟隨預定的路徑；定義第i架無人機的參考路徑為pri(si)＝[xri(si),yri(si),zri(si)]T，其中si(t)為該無人機的路徑參數，確定其在參考路徑上當前的目標位置，對pri(si)求導得：
4.如權利要求1所述一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法，其特征在于在步驟3)中，所述使用預定義時間觀測器獲取虛擬領導者路徑參數，實現路徑參數同步的具體步驟為：為了實現多個無人機的協同路徑跟隨任務，各無人機必須在分布式通信拓撲下實現路徑參數的同步，確保路徑參數的變化率能夠收斂到虛擬領導者的變化率；為此，設計了
5.如權利要求1所述一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法，其特征在于在步驟4)中，所述實現所有無人機的路徑參數逐步與虛擬領導者的路徑參數同步，具體的，基于虛擬領導者的估計，路徑參數一致性控制律設計為：
6.如權利要求1所述一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法，其特征在于在步驟5)中，所述設計預定時間LOS制導律，為簡化三維協同路徑跟隨控制器的設計，引入Serret-Frenet坐標系，以便對無人機的三維運動進行更加有效的描述；在該坐標系下，構建基于自適應LOS的三維制導律，通過對無人機的路徑跟隨誤差進行動態調整，確保無人機在預定時間內收斂于參考路徑；
7.如權利要求1所述一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法，其特征在于在步驟6)中，所述設計自組織神經網絡估計器用于近似和補償不確定性，設計輸入輔助系統補償狀態約束帶來的影響，具體步驟為：
8.如權利要求1所述一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法，其特征在于在步驟7)中，所述設計預定時間預設性能控制律，使無人機對制導速度和角度的跟蹤誤差保持在期望的包絡內，具體的：為了保證固定翼無人機在路徑跟隨過程中，能快速收斂并保持在期望的性能范圍內，設計預定時間的預設性能控制律；首先，為了確保跟蹤誤差始終在期望的包絡內，設計如下預設性能函數：
9.如權利要求1所述一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法，其特征在于在步驟8)中，所述解算控制律，得到作用于固定翼無人機的控制指令，實現對無人機的運動控制，具體的：通過對所設計的控制律進行解算，得到作用于固定翼無人機的控制指令，從而實現對無人機的運動控制，在得到制導速度和角度的控制指令之后，通過計算得到實際施加于固定翼無人機上的控制輸入ui，從而實現對無人機的運動控制；
...【技術特征摘要】
1.一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法，其特征在于包括以下步驟：
2.如權利要求1所述一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法，其特征在于在步驟1)中，所述構建固定翼無人機的數學模型的具體步為：
3.如權利要求1所述一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法，其特征在于在步驟2)中，所述給定各無人機期望路徑，并確定編隊構型，具體的：通過為每架無人機定義期望路徑，確保無人機在協同飛行過程中能夠準確跟隨預定的路徑；定義第i架無人機的參考路徑為pri(si)＝[xri(si),yri(si),zri(si)]t，其中si(t)為該無人機的路徑參數，確定其在參考路徑上當前的目標位置，對pri(si)求導得：
4.如權利要求1所述一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法，其特征在于在步驟3)中，所述使用預定義時間觀測器獲取虛擬領導者路徑參數，實現路徑參數同步的具體步驟為：為了實現多個無人機的協同路徑跟隨任務，各無人機必須在分布式通信拓撲下實現路徑參數的同步，確保路徑參數的變化率能夠收斂到虛擬領導者的變化率；為此，設計了預定義時間分布式觀測器，使每架無人機能夠通過與鄰近無人機的通信以及部分與虛擬領導者相連的節點，獲得虛擬領導者的路徑參數及其變化率；
5.如權利要求1所述一種固定翼無人機預定時間協同路徑跟隨編隊控制方法，其特征在于在步驟4)中，所述實現所有無人機的路徑參數逐步與虛擬領導者的路徑參數同步，具體的，基于虛擬領導者的估計，路徑參數一致性控制律設計為：
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