ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA >
Multi⁃UAV cooperative formation control and flight test verification
Received date: 2024-01-29
Revised date: 2024-03-12
Accepted date: 2024-04-16
Online published: 2024-05-08
Supported by
Provincial or Ministerial Level Project
Aiming at the control and management of multi-aircraft cooperative formation flight for fixed-wing Unmanned Aerial Vehicle （UAV）， a control method and state management framework suitable for large-scale formation networking is proposed. Firstly， a general formation design method is given， any formation can be designed by using the minimum formation unit. Based on the open multi-machine ad-hoc network architecture， a three-level dynamic network system of “Leader-Captain-Wingman” is constructed. Secondly， the formation motion equation of captain-wingman is established， and a nonlinear formation keeping control law is proposed for the forward and directional lateral motion of wingman. The convergence of each channel to target position is theoretically proved. For the altitude channel， the target value of dynamic adjustment of pitch angle is given with the lift rate and altitude signal as the main control signal of the guidance loop. According to the relative position relationship between wingman and captain， the rolling disconnection strategy is designed to control the orderly disbanding of wingman and ensure the safety of formation flight. Finally， flight tests of “humanoid” and “diamond” formation of 3， 4 and 5 UAVs were carried out based on a certain type of reduced ratio UAVs. The test results show that each UAV has good tracking performance for target position， altitude， heading and speed， and the capability of formation maintenance has strong robustness. The multi-aircraft cooperative flight achieves the control and management of the whole process from formation assembly， maintenance and reconstruction to formation dissolution and single landing.
Chuangxin ZHAO , Haojian TI , Zhaohong LI , Shan FENG , Shuxing YANG , Peng TANG . Multi⁃UAV cooperative formation control and flight test verification[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2024 , 45(17) : 530249 -530249 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2024.30249
| 1 | 苗昊春， 刘重， 王根. 协同制导控制技术发展现状及展望［J］. 前瞻科技， 2022， 1（4）： 40-54. |
| MIAO H C， LIU Z， WANG G. Research status and prospects of cooperative guidance and control technology［J］. Science and Technology Foresight， 2022， 1（4）： 40-54 （in Chinese）. | |
| 2 | 张毅， 于浩， 杨秀霞， 等. 无人机集群分组编队控制跟踪一体化设计［J］. 系统工程与电子技术， 2023， 45（3）： 848-858. |
| ZHANG Y， YU H， YANG X X， et al. Integrated design of group formation control and tracking of UAV swarm［J］. Systems Engineering and Electronics， 2023， 45（3）： 848-858 （in Chinese）. | |
| 3 | CHEN H， WANG X K， SHEN L C， et al. Formation flight of fixed-wing UAV swarms： A group-based hierarchical approach［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2021， 34（2）： 504-515. |
| 4 | 赖云晖， 李瑞， 史莹晶， 等. 基于图论法的四旋翼三角形结构编队控制［J］. 控制理论与应用， 2018， 35（10）： 1530-1537. |
| LAI Y H， LI R， SHI Y J， et al. On the study of a multi-quadrotor formation control with triangular structure based on graph theory［J］. Control Theory & Applications， 2018， 35（10）： 1530-1537 （in Chinese）. | |
| 5 | REN W， BEARD R W. Distributed consensus in multi-vehicle cooperative control［M］. London： Springer London， 2008. |
| 6 | ZHANG Q R， LIU H H T. Aerodynamics modeling and analysis of close formation flight［J］. Journal of Aircraft， 2017， 54（6）： 2192-2204. |
| 7 | 段海滨， 邱华鑫. 基于群体智能的无人机集群自主控制［M］. 北京： 科学出版社， 2018. |
| DUAN H B， QIU H X. Unmanned aerial vehicle swarm autonomous control based on swarm intelligence［M］. Beijing： Science Press， 2018 （in Chinese）. | |
| 8 | DU H B， CHEN M Z Q， WEN G H. Leader–following attitude consensus for spacecraft formation with rigid and flexible spacecraft［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2016， 39（4）： 944-951. |
| 9 | 戴邵武， 赵超轮， 李飞， 等. 一种多约束下无人机编队的模型预测控制算法［J］. 控制与决策， 2023， 38（3）： 706-714. |
| DAI S W， ZHAO C L， LI F， et al. An algorithm of model predictive control for formation control of a multiUAV system considering multiple constraints［J］. Control and Decision， 2023， 38（3）： 706-714 （in Chinese）. | |
| 10 | 张广玉， 何玉庆， 代波， 等. 面向自由飞行目标捕获的四旋翼最优轨迹规划［J］. 信息与控制， 2019， 48（4）： 469-476， 485. |
| ZHANG G Y， HE Y Q， DAI B， et al. Optimal trajectory planning of a quadrotor toward free flying target catching［J］. Information and Control， 2019， 48（4）： 469-476， 485 （in Chinese）. | |
| 11 | 张新昱， 谢思宇， 陶洋， 等. 面向无人机空中加油紧密编队的鲁棒控制方法［J］. 航空学报， 2023， 44（20）： 628425. |
| ZHANG X Y， XIE S Y， TAO Y， et al. A robust control method for close formation of aerial-refueling UAVs［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（20）： 628425 （in Chinese）. | |
| 12 | 吴立尧， 韩维， 张勇， 等. 基于领航-跟随的有人/无人机编队队形保持控制［J］. 控制与决策， 2021， 36（10）： 2435-2441. |
| WU L Y， HAN W， ZHANG Y， et al. Formation keeping control for manned/unmanned aerial vehicle formation based on leader-follower strategy［J］. Control and Decision， 2021， 36（10）： 2435-2441 （in Chinese）. | |
| 13 | GAZI V. Swarm aggregations using artificial potentials and sliding-mode control［J］. IEEE Transactions on Robotics， 2005， 21（6）： 1208-1214. |
| 14 | 张磊， 方洋旺， 毛东辉， 等. 导弹协同攻击编队自适应滑模控制器设计［J］. 宇航学报， 2014， 35（6）： 700-707. |
| ZHANG L， FANG Y W， MAO D H， et al. Adaptive sliding-mode controller design for missile cooperative engagement［J］. Journal of Astronautics， 2014， 35（6）： 700-707 （in Chinese）. | |
| 15 | 杜昕， 朱喆， 胡芳芳， 等. 空中无人加油自主对接导航制导与控制［J］. 航空学报， 2023， 44（20）： 628827. |
| DU X， ZHU Z， HU F F， et al. Guidance， navigation and control for airborne docking of autonomous aerial refueling［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（20）： 628827 （in Chinese）. | |
| 16 | DOGAN A， VENKATARAMANAN S. Nonlinear control for reconfiguration of unmanned-aerial-vehicle formation［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2005， 28（4）： 667-678. |
| 17 | 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）. | |
| 18 | ZHANG Q R， LIU H H T. Robust nonlinear close formation control of multiple fixed-wing aircraft［J］. Journal of Guidance， Control， and Dynamics， 2021， 44（3）： 572-586. |
| 19 | XU D， GUO Y X， YU Z Y， et al. PPO-exp： keeping fixed-wing UAV formation with deep reinforcement learning［J］. Drones， 2022， 7（1）： 28. |
| 20 | 相晓嘉， 闫超， 王菖， 等. 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. |
| XIANG X J， YAN C， WANG C， et al. Coordination control method for fixed-wing UAV formation through deep reinforcement learning［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2021， 42（4）： 524009 （in Chinese）. |
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