固定翼无人机集群预定时间仿射编队机动控制

doi:10.7527/S1000-6893.2024.31824

电子电气工程与控制

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 |

固定翼无人机集群预定时间仿射编队机动控制

严超, 张泽旭(), 崔祜涛, 张凯, 刘京宗

哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨 150001

收稿日期:2025-01-20 修回日期:2025-02-27 接受日期:2025-03-17 出版日期:2025-03-28 发布日期:2025-03-28
通讯作者: 张泽旭 E-mail:zexuzhang@hit.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(U20B2001);航空科学基金(2024Z023077001)

Predefined-time affine formation maneuvering control for fixed-wing UAV swarm

Chao YAN, Zexu ZHANG(), Hutao CUI, Kai ZHANG, Jingzong LIU

School of Astronautics，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China

Received:2025-01-20 Revised:2025-02-27 Accepted:2025-03-17 Online:2025-03-28 Published:2025-03-28
Contact: Zexu ZHANG E-mail:zexuzhang@hit.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(U20B2001);Aeronautical Science Foundation of China(2024Z023077001)

摘要/Abstract

摘要：

针对传统“领航-跟随”仿射编队机动控制方法收敛时间难以预先设定的问题，提出一种适用于固定翼无人机（UAV）集群的预定时间仿射编队机动控制方法。首先，设计了适用于有向通信拓扑的预定时间仿射观测器，确保跟随者无人机能够在预定收敛时间内精确观测期望的仿射编队机动状态。其次，针对输入约束下的无人机状态跟踪问题，将其转化为时变控制系数问题，并采用反步法设计了基于 Nussbaum 函数的状态跟踪控制器加以解决。此外，针对无人机飞行过程中的未知扰动，构建了预定时间扰动估计器实现主动补偿。通过李雅普诺夫稳定性理论和预定时间理论，严格证明了系统的稳定性和预定时间收敛性。最后，通过仿真验证表明，该方法能够在预定时间内实现固定翼无人机集群的仿射编队机动控制，并具备抗干扰和抗饱和性能。同时，对比仿真结果进一步验证了所提方法的优越性。

关键词: 仿射编队机动, 固定翼无人机, 预定时间控制, 状态跟踪, Nussbaum 函数, 输入饱和

Abstract:

To address the problem of predefining the convergence time in traditional “leader-follower” affine formation maneuvering control methods， a predefined-time affine formation maneuvering control method for fixed-wing Unmanned Aerial Vehicle （UAV） swarm is proposed. First， a predefined-time affine observer is designed for directed communication topology to ensure that the follower UAVs can accurately observe the desired affine formation maneuvering states within the specified time. Next， the UAV state tracking problem under input constraints is transformed into a time-varying control coefficient problem， which is solved using a backstepping-based state tracking controller incorporating the Nussbaum function. Additionally， a predefined-time disturbance estimator is constructed to actively compensate for unknown disturbances during flight. The system’s stability and predefined-time convergence are rigorously proven using Lyapunov stability theory and predefined-time theory. Finally， simulation results demonstrate that the proposed method can achieve affine formation maneuvering control for fixed-wing UAV swarm within the predefined time， while exhibiting disturbance rejection and anti-saturation performance. Furthermore， the comparative simulation results provide additional validation of the superiority of the proposed method.

Key words: affine formation maneuvering, fixed-wing UAV, predefined-time control, state tracking, Nussbaum function, input saturation

中图分类号:

V249

严超, 张泽旭, 崔祜涛, 张凯, 刘京宗. 固定翼无人机集群预定时间仿射编队机动控制[J]. 航空学报, 2025, 46(22): 331824.

Chao YAN, Zexu ZHANG, Hutao CUI, Kai ZHANG, Jingzong LIU. Predefined-time affine formation maneuvering control for fixed-wing UAV swarm[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(22): 331824.

图/表 13

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

参考文献 42

[1]	赵创新，遆好建，李照宏，等. 多无人机协同编队控制及试飞验证［J］. 航空学报， 2024， 45（17）： 530249.
	ZHAO C X， TI H J， LI Z H， et al. Multi-UAV cooperative formation control and flight test verification［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（17）： 530249 （in Chinese）.
[2]	柳汀，周国鑫，徐扬，等. 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.
	LIU T， ZHOU G X， XU Y， et al. Optimization of fusion information map Harris eagle multi-UAV dynamic target search［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（S1）： 730773 （in Chinese）.
[3]	严超，张泽旭，袁帅，等. GNSS拒止下面向目标监视的多无人机定位与控制方法［J］. 宇航学报， 2023， 44（10）： 1534-1543.
	YAN C， ZHANG Z X， YUAN S， et al. Multi-UAV localization and control method for target surveillance with GNSS denied［J］. Journal of Astronautics， 2023， 44（10）： 1534-1543 （in Chinese）.
[4]	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.
	YIN H Y， WU Y， LIANG T J. Cooperative path planning for patrol coverage of fixed wing UAV［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（6）： 328944 （in Chinese）.
[5]	ZHAO S Y. Affine formation maneuver control of multiagent systems［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2018， 63（12）： 4140-4155.
[6]	ZHANG Y W， LI S S， WANG S P， et al. Distributed bearing-based formation maneuver control of fixed-wing UAVs by finite-time orientation estimation［J］. Aerospace Science and Technology， 2023， 136： 108241.
[7]	CHEN L M， MEI J， LI C J， et al. Distributed leader-follower affine formation maneuver control for high-order multiagent systems［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2020， 65（11）： 4941-4948.
[8]	DIMAROGONAS D V， KYRIAKOPOULOS K J. A connection between formation infeasibility and velocity alignment in kinematic multi-agent systems［J］. Automatica， 2008， 44（10）： 2648-2654.
[9]	GARCIA DE MARINA H， JAYAWARDHANA B， CAO M. Distributed rotational and translational maneuvering of rigid formations and their applications［J］. IEEE Transactions on Robotics， 2016， 32（3）： 684-697.
[10]	ZHAO S Y， ZELAZO D. Translational and scaling formation maneuver control via a bearing-based approach［J］. IEEE Transactions on Control of Network Systems， 2017， 4（3）： 429-438.
[11]	HAN T R， LIN Z Y， ZHENG R H， et al. A barycentric coordinate-based approach to formation control under directed and switching sensing graphs［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2018， 48（4）： 1202-1215.
[12]	LIN Z Y， WANG L L， HAN Z M， et al. Distributed formation control of multi-agent systems using complex Laplacian［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2014， 59（7）： 1765-1777.
[13]	LIN Z Y， WANG L L， CHEN Z Y， et al. Necessary and sufficient graphical conditions for affine formation control［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2016， 61（10）： 2877-2891.
[14]	XU Y， ZHAO S Y， LUO D L， et al. Affine formation maneuver control of high-order multi-agent systems over directed networks［J］. Automatica， 2020， 118： 109004.
[15]	LI D Y， MA G F， XU Y， et al. Layered affine formation control of networked uncertain systems： A fully distributed approach over directed graphs［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2021， 51（12）： 6119-6130.
[16]	LIN Y J， LIN Z Y， SUN Z Y， et al. A unified approach for finite-time global stabilization of affine， rigid， and translational formation［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2021， 67（4）： 1869-1881.
[17]	POLYAKOV A. Nonlinear feedback design for fixed-time stabilization of linear control systems［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2012， 57（8）： 2106-2110.
[18]	WANG J N， DING X J， WANG C Y， et al. Affine formation control for multi-agent systems with prescribed convergence time［J］. Journal of the Franklin Institute， 2021， 358（14）： 7055-7072.
[19]	GAO K， LIU Y F， ZHOU Y， et al. Practical fixed-time affine formation for multi-agent systems with time-based generators［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅱ： Express Briefs， 2022， 69（11）： 4433-4437.
[20]	WANG Y J， SONG Y D， HILL D J， et al. Prescribed-time consensus and containment control of networked multiagent systems［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2019， 49（4）： 1138-1147.
[21]	DING T F， GE M F， XIONG C H， et al. Prescribed-time formation tracking of second-order multi-agent networks with directed graphs［J］. Automatica， 2023， 152： 110997.
[22]	NING B D， HAN Q L， ZUO Z Y. Practical fixed-time consensus for integrator-type multi-agent systems： A time base generator approach［J］. Automatica， 2019， 105： 406-414.
[23]	ZHAO Y， GAO K， HUANG P F， et al. Specified-time affine formation maneuver control of multiagent systems over directed networks［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2024， 69（3）： 1936-1943.
[24]	TANG C C， ZHANG H T， CAO H S， et al. Time-varying formation control of autonomous surface vehicles based on affine observer［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2024， 71（10）： 12952-12963.
[25]	QIN B Y， ZHANG D， TANG S， et al. Three-dimensional distributed affine formation maneuver control of fixed-wing UAV swarm with actuator faults and saturation constraints［C］∥2023 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology （APISAT 2023） Proceedings. Singapore： Springer Nature Singapore， 2024： 1278-1296.
[26]	XU Y， QU Y F， LUO D L， et al. Distributed predefined-time estimator-based affine formation target-enclosing maneuver control for cooperative underactuated quadrotor UAVs with fault-tolerant capabilities［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2025， 38（1）： 103042.
[27]	ZUO Z Y， LIU C J， HAN Q L， et al. Unmanned aerial vehicles： Control methods and future challenges［J］. IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica， 2022， 9（4）： 601-614.
[28]	WU Z H， NI J K， QIAN W， et al. Composite prescribed performance control of small unmanned aerial vehicles using modified nonlinear disturbance observer［J］. ISA Transactions， 2021， 116： 30-45.
[29]	HUANG D Q， HUANG T P， QIN N， et al. Finite-time control for a UAV system based on finite-time disturbance observer［J］. Aerospace Science and Technology， 2022， 129： 107825.
[30]	LIU K， WANG R J， ZHENG S J， et al. Fixed-time disturbance observer-based robust fault-tolerant tracking control for uncertain quadrotor UAV subject to input delay［J］. Nonlinear Dynamics， 2022， 107（3）： 2363-2390.
[31]	ZHAO S L， ZHENG J Y， YI F， et al. Exponential predefined time trajectory tracking control for fixed-wing UAV with input saturation［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2024， 60（5）： 6406-6419.
[32]	马骥，陈向勇，温广辉，等. 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.
	MA J， CHEN X Y， WEN G H， et al. Preset time trac control of UAV cluster unde random switching topology［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2024， 45（S1）： 730793 （in Chinese）.
[33]	CHEN M， GE S S， REN B B. Adaptive tracking control of uncertain MIMO nonlinear systems with input constraints［J］. Automatica， 2011， 47（3）： 452-465.
[34]	HU Q L， SHAO X D， ZHANG Y M， et al. Nussbaum-type function-based attitude control of spacecraft with actuator saturation［J］. International Journal of Robust and Nonlinear Control， 2018， 28（8）： 2927-2949.
[35]	LIU B J， GUO Y， LI A J. Nussbaum-based finite-time containment control for multi-UAVs with input saturation and velocity constraints［J］. Aerospace Science and Technology， 2023， 139： 108407.
[36]	LIU B J， GUO Y， LI A J， et al. Distributed nussbaum-based finite-time containment control for multi-UAVs with actuator saturation and faults［J］. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems， 2022， 59（4）： 3505-3520.
[37]	XU Y， ZHAO S Y， LUO D L， et al. Affine formation maneuver control of multi-agent systems with directed interaction graphs［C］∥2018 37th Chinese Control Conference （CCC）. Piscataway： IEEE Press， 2018： 4563-4568.
[38]	WEN C Y， ZHOU J， LIU Z T， et al. Robust adaptive control of uncertain nonlinear systems in the presence of input saturation and external disturbance［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 2011， 56（7）： 1672-1678.
[39]	HU Q L， SHAO X D， GUO L. Adaptive fault-tolerant attitude tracking control of spacecraft with prescribed performance［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2018， 23（1）： 331-341.
[40]	XIE S Z， CHEN Q. Predefined-time disturbance estimation and attitude control for rigid spacecraft［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems Ⅱ： Express Briefs， 2024， 71（4）： 2089-2093.
[41]	WANG C L， LIN Y. Decentralized adaptive tracking control for a class of interconnected nonlinear time-varying systems［J］. Automatica， 2015， 54： 16-24.
[42]	ARAKI M， KONDO B. Stability and transient behavior of composite nonlinear systems［J］. IEEE Transactions on Automatic Control， 1972， 17（4）： 537-541.

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

固定翼无人机集群预定时间仿射编队机动控制

Predefined-time affine formation maneuvering control for fixed-wing UAV swarm

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 13

参考文献 42

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	梁建建, 汪首坤, 何绍溟. 固定翼无人机自主着舰分段动作引导策略[J]. 航空学报, 2025, 46(13): 531116-531116.
[2]	王一峰, 彭一明, 李龙, 魏小辉, 聂宏. 基于DQN的无人机主动捕捉拦阻回收方法[J]. 航空学报, 2025, 46(12): 231448-231448.
[3]	李俊志, 龙腾, 孙景亮, 苗洪语, 周桢林. 城市环境下固定翼无人机微分平坦时空分层轨迹规划[J]. 航空学报, 2025, 46(11): 531369-531369.
[4]	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.
[5]	郝嘉煜, 彭一明, 魏小辉, 马辉. 基于磁流变技术的主动控制拦阻装置设计与分析[J]. 航空学报, 2024, 45(12): 428818-428818.
[6]	张清瑞, 刘赟韵, 孙慧杰, 朱波. 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): 629233-629233.
[7]	许勇, 颜鸿涛, 贾涛, 马跃, 邓泽华, 刘多能. 固定翼集群无人机空中模拟对接技术[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 326539-326539.
[8]	陈浩岚, 王鹏, 汤国建. 变形飞行器输出误差受限与输入饱和控制方法[J]. 航空学报, 2023, 44(15): 528762-528762.
[9]	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): 327465-327465.
[10]	相晓嘉, 闫超, 王菖, 尹栋. 基于深度强化学习的固定翼无人机编队协调控制方法[J]. 航空学报, 2021, 42(4): 524009-524009.
[11]	路遥. 基于跟踪微分器的高超声速飞行器Backstepping控制[J]. 航空学报, 2021, 42(11): 524737-524737.
[12]	张超凡, 董琦. 考虑输入饱和的固定翼无人机自适应增益滑模控制[J]. 航空学报, 2020, 41(S1): 723755-723755.
[13]	刘佳琪, 王伟, 林德福, 林时尧. 考虑驾驶仪动态性能的指令滤波反演制导律[J]. 航空学报, 2020, 41(12): 324123-324123.
[14]	王松艳, 孙向宇, 杨胜江, 晁涛. 考虑输入饱和的制导控制一体化设计[J]. 航空学报, 2017, 38(10): 320897-320897.
[15]	王婕, 郭子祺, 刘建英. 固定翼无人机航磁探测系统的磁补偿模型分析[J]. 航空学报, 2016, 37(11): 3435-3443.