随机切换拓扑下无人机集群预设时间跟踪控制

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30793

论文

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

随机切换拓扑下无人机集群预设时间跟踪控制

马骥¹, 陈向勇¹(), 温广辉², 程龙¹, 邱建龙¹

^1.临沂大学自动化与电气工程学院，临沂 276005
^2.东南大学数学学院，南京 210096

收稿日期:2024-06-05 修回日期:2024-07-06 接受日期:2024-07-10 出版日期:2024-07-24 发布日期:2024-07-22
通讯作者: 陈向勇 E-mail:chenxiangyong@lyu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(62173175);山东省自然科学基金(ZR2024MF032)

Predefined time tracking control of unmanned aerial vehicles under stochastic switching topology

Ji MA¹, Xiangyong CHEN¹(), Guanghui WEN², Long CHENG¹, Jianlong QIU¹

^1.School of Automation and Electrical Engineering，Linyi University，Linyi 276005，China
^2.School of Mathematics，Southeast University，Nanjing 210096，China

Received:2024-06-05 Revised:2024-07-06 Accepted:2024-07-10 Online:2024-07-24 Published:2024-07-22
Contact: Xiangyong CHEN E-mail:chenxiangyong@lyu.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(62173175);Natural Science Foundation of Shandong Province(ZR2024MF032)

摘要/Abstract

摘要：

针对具有随机切换通信拓扑结构的二阶固定翼无人机集群系统的跟踪控制问题，提出了一种分布式预设时间自适应滑模控制方法。首先，建立了固定翼无人机集群的三自由度数学模型，并将其转化为带有扰动的二阶积分器模型。基于上述所建立的模型，选择了一个合适的滑模面，并在此基础上设计了分布式预设时间跟踪控制器，考虑到无人机集群系统在飞行过程中面临的干扰问题，提出了自适应控制策略来对其进行处理。此外，本文引用了一个预设时间定理，并通过李雅普诺夫稳定性理论证明了该二阶无人机系统可以在预设时间内达到稳定。最后，通过数值仿真验证了本文所提出的随机切换拓扑下固定翼无人机集群系统的跟踪控制策略具有可行性。

关键词: 无人机, 预设时间稳定, 分布式跟踪控制, 滑模控制, 随机切换拓扑

Abstract:

A distributed predefined time adaptive sliding mode control method is proposed to address the tracking control problem of a second-order fixed-wing Unmanned Aerial Vehicle （UAV） system with stochastic switching communication topology structure. Firstly， a three degree of freedom mathematical model for fixed-wing UAV cluster is established and transformed into a second-order integrator model with disturbances. Based on this established model， a suitable sliding surface is selected， and a distributed predefined time tracking controller is designed. To handle the interference problem faced by the UAV system during flight， an adaptive control strategy was proposed. In addition， this paper cites a predefined time theorem and proves through Lyapunov stability theory that the second-order UAV system can achieve stability within the predefined time. Finally， numerical simulations have demonstrated the feasibility of the proposed tracking control strategy for a fixed-wing UAV system with stochastic switching topology.

Key words: UAV, predefined time stability, distributed tracking control, sliding mode control, stochastic switching topology

中图分类号:

V249

马骥, 陈向勇, 温广辉, 程龙, 邱建龙. 随机切换拓扑下无人机集群预设时间跟踪控制[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730793.

Ji MA, Xiangyong CHEN, Guanghui WEN, Long CHENG, Jianlong QIU. Predefined time tracking control of unmanned aerial vehicles under stochastic switching topology[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(S1): 730793.

图/表 17

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

图15

图16

图17

参考文献 25

1	RIBEIRO R G， COTA L P， EUZÉBIO T A M， et al. Unmanned-aerial-vehicle routing problem with mobile charging stations for assisting search and rescue missions in postdisaster scenarios［J］. IEEE Transactions on Systems， Man， and Cybernetics： Systems， 2022， 52（11）： 6682-6696.
2	QIN Z， WANG H， WEI Z H， et al. Task selection and scheduling in UAV-enabled MEC for reconnaissance with time-varying priorities［J］. IEEE Internet of Things Journal， 2021， 8（24）： 17290-17307.
3	LI X D， YAO R G， FAN Y， et al. Secure efficiency map-enabled UAV trajectory planning［J］. IEEE Wireless Communications Letters， 2023， 12（8）： 1324-1328.
4	HUANG Z G， CHEN M. Coordinated disturbance observer-based flight control of fixed-wing UAV［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems II： Express Briefs， 2022， 69（8）： 3545-3549.
5	XUE W， QI J H， SHAO G Q， et al. Low-rank approximation and multiple sparse constraint modeling for infrared low-flying fixed-wing UAV detection［J］. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing， 2021， 14： 4150-4166.
6	CHEN Y J， CHANG D K， ZHANG C. Autonomous tracking using a swarm of UAVs： A constrained multi-agent reinforcement learning approach［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2020， 69（11）： 13702-13717.
7	LIU Z C， HUANG J S， WEN C Y， et al. Distributed control of nonlinear systems with unknown time-varying control coefficients： A novel nussbaum function approach［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2023， 68（7）： 4191-4203.
8	贺林翰，高晗威，程鹏飞，等. 基于扰动观测器的无人机固定时间编队协同控制［J］. 海军航空大学学报， 2023， 38（06）： 510-518.
	HE L H， GAO H W， CHENG P F， et al. Coordinated control of fixed-time UAV formation based on disturbance observer［J］. Journal of Naval Aviation University， 2023， 38（06）： 510-518 （in Chinese）.
9	ZHANG C F， ZHANG G S， DONG Q. Multi-variable finite-time observer-based adaptive-gain sliding mode control for fixed-wing UAV［J］. IET Control Theory & Applications， 2021， 15（2）： 223-247.
10	YANG J， LIU C J， COOMBES M， et al. Optimal path following for small fixed-wing UAVs under wind disturbances［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2021， 29（3）： 996-1008.
11	MIHAI L G. Backstepping and dynamic inversion combined controller for auto-landing of fixed wing UAVs［J］. Aerospace Science and Technology， 2020， 96： 105526.
12	张清瑞，刘赟韵，孙慧杰，等. 固定翼无人机紧密编队的鲁棒协同跟踪控制［J］. 航空学报， 2024， 45（1）： 629233.
	ZHANG Q R， LIU Y Y， SUN H J， et al. Robust cooperative tracking control for close formation of fixed-wing unmanned aerial vehicles［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（1）： 629233 （in Chinese）.
13	ZHOU J L， LV Y Z， WEN G H， et al. Resilient consensus of multiagent systems under malicious attacks： Appointed-time observer-based approach［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2022， 52（10）： 10187-10199.
14	马亚杰，王娟，姜斌，等. 一种无人机-无人车编队系统容错控制方法［J］. 航空学报， 2023， 44（8）： 327216.
	MA Y J， WANG J， JIANG B， et al. A fault-tolerant control scheme for UAVs-UGVs formation systems［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（8）： 327216 （in Chinese）.
15	HUA Y Z， DONG X W， HAN L， et al. Finite-time time-varying formation tracking for high-order multiagent systems with mismatched disturbances［J］. IEEE Transactions on Systems， Man， and Cybernetics： Systems， 2020， 50（10）： 3795-3803.
16	ZHOU J L， LV Y Z， WEN C Y， et al. Solving specified-time distributed optimization problem via sampled-data-based algorithm［J］. IEEE Transactions on Network Science and Engineering， 2022， 9（4）： 2747-2758.
17	XU H， CUI G Z， MA Q， et al. Fixed-time disturbance observer-based distributed formation control for multiple QUAVs［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems II： Express Briefs， 2023， 70（6）： 2181-2185.
18	CUI G Z， YANG W， YU J P， et al. Fixed-time prescribed performance adaptive trajectory tracking control for a QUAV［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems II： Express Briefs， 2022， 69（2）： 494-498.
19	LIU W， CHEN M， SHI P. Fixed-time disturbance observer-based control for quadcopter suspension transportation system［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems I： Regular Papers， 2022， 69（11）： 4632-4642.
20	许闯，吴宝林. 输入饱和下多航天器分布式固定时间输出反馈姿态协同控制［J］. 航空学报， 2023， 44（10）： 327465.
	XU C， WU B L. Distributed fixed-time output-feedback attitude consensus control for multiple spacecraft with input saturation［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（10）： 327465 （in Chinese）.
21	CHEN X Y， JIA T Y， WANG Z S， et al. Practical fixed-time bipartite synchronization of uncertain coupled neural networks subject to deception attacks via dual-channel event-triggered control［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2024， 54（6）： 3615-3625.
22	CHEN X Y， LIU H W， WEN G H， et al. Adaptive neural preassigned-time control for macro–micro composite positioning stage with displacement constraints［J］. IEEE Transactions on Industrial Informatics， 2024， 20（2）： 1103-1112.
23	DÍAZ-MUÑOZ J D， MARTÍNEZ-FUENTES O， CRUZ-VEGA I. Predefined-time control design for tracking chaotic trajectories around a contour with an UAV［J］. Expert Systems with Applications， 2024， 250： 123852.
24	魏志强，翁哲鸣，化永朝，等. 切换拓扑下异构无人集群编队-合围跟踪控制［J］. 航空学报， 2023， 44（2）： 326504.
	WEI Z Q， WENG Z M， HUA Y Z， et al. Formation-containment tracking control for heterogeneous unmanned swarm systems with switching topologies［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（2）： 326504 （in Chinese）.
25	JIA C， LIU X H， LI X Y， et al. A new adaptive predefined time sliding mode control for nonlinear systems［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems II： Express Briefs， 2024， 71（4）： 2094-2098.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

[1]	郭廷宇, 闫溟, 解春雷. 聚合-分体飞行器气动特性[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730596-730596.
[2]	余莎莎, 陈星雨. 城市空中交通领域关键技术创新与挑战[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730657-730657.
[3]	何昊, 王鹏. 高速变形飞行器制导控制一体化设计方法[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730692-730692.
[4]	柳汀, 周国鑫, 徐扬, 罗德林, 郭正玉, 杨梦杰. 融合信息图的优化哈里斯鹰多无人机动态目标搜索[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730773-730773.
[5]	张晓龙, 李荣, 阎高伟, 肖舒怡, 李国强. 小型无人直升机故障估计与容错控制[J]. 航空学报, 2024, 45(S1): 730802-730802.
[6]	王海峰, 刘坤澎, 江泓鑫, 杜晨曦. 螺旋桨多设计点气动优化方法和变桨距角策略[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 528831-528831.
[7]	赵春晖, 刘安萌, 吕洋, 潘泉. 无人机韧性自主定位技术综述[J]. 航空学报, 2024, 45(8): 28839-028839.
[8]	张薇, 何若俊. 面向物联网数据收集的无人机自主路径规划[J]. 航空学报, 2024, 45(8): 329054-329054-1.
[9]	赵靖, 宋丹. 无人机GNSS/IMU组合导航系统完好性监测方法[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 328943-328943.
[10]	王传云, 苏阳, 王琳霖, 王田, 王静静, 高骞. 面向反制无人机集群的多目标连续鲁棒跟踪算法[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 329017-329017.
[11]	罗旭东, 吴一全, 陈金林. 无人机航拍影像目标检测与语义分割的深度学习方法研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(6): 28822-028822.
[12]	尹洪玉, 吴宇, 梁天骄. 固定翼无人机巡逻覆盖协同路径规划方法[J]. 航空学报, 2024, 45(6): 328944-328944.
[13]	安朝, 霍贵玺, 孟杨, 谢长川, 杨超. 翼尖铰接组合式无人机气动建模方法及布局参数影响[J]. 航空学报, 2024, 45(6): 629587-629587.
[14]	李广佳, 王红波, 张凯, 仪志胜. 临近空间太阳能无人机增升减阻技术综述[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529644-529644.
[15]	蔡云鹏, 周大鹏, 丁江川. 具有防撞安全约束的无人机集群智能协同控制[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529683-529683.

随机切换拓扑下无人机集群预设时间跟踪控制

Predefined time tracking control of unmanned aerial vehicles under stochastic switching topology

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 17

参考文献 25

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价