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固定翼集群无人机空中模拟对接技术

航空学报 2023年第5期44卷 207-223页

作者：许勇颜鸿涛贾涛马跃邓泽华刘多能中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所绵阳621000 北京流体动力科学研究中心北京100011

自主空中加油技术对于提高无人机(UAV)续航能力,扩大作战半径,增加载荷重量以及提升战略部署等方面有着重要的意义,是未来智能集群无人机系统的必备技术。本文以“无人争锋(UI-STRIVE)”空中握手比赛为背景,对固定翼集群无人机空中模拟... 详细信息

自主空中加油技术对于提高无人机(UAV)续航能力,扩大作战半径,增加载荷重量以及提升战略部署等方面有着重要的意义,是未来智能集群无人机系统的必备技术。本文以“无人争锋(UI-STRIVE)”空中握手比赛为背景,对固定翼集群无人机空中模拟对接相关技术及策略进行了研究。首先,针对固定翼集群无人机飞行速度快、编队密集程度高等特点,设计了集群无人机空中对接流程以及基于Dubins路径规划的时间最短的追机方案,并采用非线性制导律进行航路跟踪;其次,基于模拟锥套的先验信息设计了一组弱分类器,并通过级联的方式实现对模拟锥套的快速检测;然后,设计了沿加油机航线方向进行精确对接的策略,并结合无人机姿态先验以及模拟锥套尺寸信息推导了精确对接阶段制导参数解算方法;最后,设计了相应的固定翼集群无人机系统,并以4机编队参加了第2021届“无人争锋”空中握手比赛,参赛结果验证了本文所提出固定翼集群无人机系统以及其技术和策略的可行性。

关键词：空中加油固定翼无人机集群无人机路径规划无人争锋

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集群无人机协同导航构型优选方法

电光与控制 2024年第5期31卷 83-88页

作者：马铭江熊智王融陈明星南京航空航天大学自动化学院导航研究中心南京211000 先进飞行器导航控制与健康管理工业和信息化部重点实验室南京211000 安徽工程大学电气工程学院安徽芜湖241000

针对现有集群无人机协同导航构型优选方法运算效率低的问题,提出一种基于改进粒子群优化算法的集群无人机协同导航构型优选方法。首先利用协同精度因子作为构型评估标准提高评估精度,并在此基础上,采用自适应惯性因子和非对称学习因子... 详细信息

针对现有集群无人机协同导航构型优选方法运算效率低的问题,提出一种基于改进粒子群优化算法的集群无人机协同导航构型优选方法。首先利用协同精度因子作为构型评估标准提高评估精度,并在此基础上,采用自适应惯性因子和非对称学习因子对粒子群优化算法进行改进,提升了算法的寻优性能以及收敛速度,同时筛选出最优构型,提高了集群无人机协同导航的定位精度。仿真结果表明,改进粒子群优化算法与传统粒子群优化算法相比,构型的协同精度因子值减小了33%。在此基础上,所提优选方法提升了对集群中用户机的定位精度,减小了构型优选的计算量,利于大规模无人机集群的广泛应用。

关键词：集群无人机协同导航构型优选改进粒子群

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集群无人机载雷达阵列波束合成

雷达科学与技术 2023年第1期21卷 24-34,39页

作者：郑纪彬杨志伟杨洋刘宏伟张田仓杨娟西安电子科技大学雷达信号处理全国重点实验室陕西西安710071 中国电子科技集团公司第二十研究所陕西西安710068

集群无人机载雷达阵列具有较高的机动性与灵活性,相关研究受到广泛关注。波束合成是集群无人机载雷达阵列的重要功能之一,该功能的实现面临较多挑战。本文首先构建了波束合成信号模型并分析了位置不确定性、时间同步不确定性、天线指向... 详细信息

集群无人机载雷达阵列具有较高的机动性与灵活性,相关研究受到广泛关注。波束合成是集群无人机载雷达阵列的重要功能之一,该功能的实现面临较多挑战。本文首先构建了波束合成信号模型并分析了位置不确定性、时间同步不确定性、天线指向不确定性以及通道不确定性的影响;其次,推导了波束合成信号模型的克拉美罗界和峰值旁瓣电平并提出了集群无人机构型优化方法;最后,提出了一种幅相误差处理策略,主要包括基于高精度测距的定位和时间同步系统设计以及幅相误差快速补偿两部分。仿真结果和工程实验证实了集群无人机载雷达阵列波束合成的可行性。

关键词：集群无人机雷达阵列克拉美罗界峰值旁瓣电平幅相误差

具有输入时滞的集群无人机事件触发协同最优控制

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南京航空航天大学学报 2022年第5期54卷 958-968页

作者：陈谋吴颖南京航空航天大学自动化学院南京211106

针对带有输入时滞和外部干扰的集群无人机系统,提出了一种基于强化学习的集群无人机事件触发分布式自适应最优控制方法。为了实现最优控制,引入了基于神经网络的强化学习算法,并设计了一种与系统控制性能有关的动态事件触发策略,该策略... 详细信息

针对带有输入时滞和外部干扰的集群无人机系统,提出了一种基于强化学习的集群无人机事件触发分布式自适应最优控制方法。为了实现最优控制,引入了基于神经网络的强化学习算法,并设计了一种与系统控制性能有关的动态事件触发策略,该策略可以在尽可能降低对一致性控制性能不利影响的前提下,减少通信资源的浪费,同时该策略不存在Zeno行为。此外,在控制器设计过程中,引入了一种含有积分项的坐标变换来处理系统的输入时滞问题。在输入时滞和外部干扰的影响下,所提出的基于干扰观测器的最优分布式协同神经网络控制策略能够保证每个无人机系统所有信号都有界,并且每个无人机系统的输出能够实现一致性。最后,仿真结果验证了所提控制方法的有效性。

关键词：集群无人机强化学习事件触发输入时滞干扰观测器

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集群无人机避碰避障控制方法研究

集群无人机避碰避障控制方法研究

作者：马宇昕天津大学

学位级别：硕士

四旋翼无人机是一种近年来备受关注的可通过自主或远程控制完成飞行行为,无需驾驶员直接操纵的无人驾驶飞行器。多无人机协同自主编队飞行是近年来的一个前沿领域。它可以充分利用有限的单机资源,共同完成复杂的任务。避碰问题是无人机... 详细信息

四旋翼无人机是一种近年来备受关注的可通过自主或远程控制完成飞行行为,无需驾驶员直接操纵的无人驾驶飞行器。多无人机协同自主编队飞行是近年来的一个前沿领域。它可以充分利用有限的单机资源,共同完成复杂的任务。避碰问题是无人机编队任务中需要解决的关键问题之一,是航空监督部门授权无人机进入通用空域的关键,也是集群无人机自主化过程中的关键环节。本课题的目的在于建立集群无人机自主协同控制优化理论与应用方法,为突破集群无人机智能自主协同控制发展的瓶颈、促进我国无人机集群化与智能化发展水平,提供科学理论支撑。首先,考虑集群无人机实际飞行过程中的避障需求,在建立面向控制的四旋翼无人机轨迹姿态模型基础上,为避免传统集群无人机为每架无人机规划轨迹的不足,提出了基于集群无人机中心点的轨迹设计策略,进一步,考虑避障约束,基于半定规划进行迭代的区域扩张,完成了集群无人机的安全飞行区域设计,确保了集群无人机在多约束环境下的避障飞行。其次,考虑四旋翼无人机飞行过程中模型参数不确定和外界干扰对姿态控制性能的影响,利用分布式位置控制器、姿态解算算法和基于干扰补偿的有限时间姿态控制器,在有限时间内实现对姿态指令的稳定跟踪。进一步,对提出的协同控制器的有效性进行数值仿真验证并与基于串级PID的姿态控制器,基于螺旋算法的滑模姿态控制器的跟踪精度进行对比分析,从而验证基于干扰补偿的有限时间姿态控制器在保证系统跟踪精度的前提下,具有强鲁棒性和抗干扰能力。最后,考虑集群无人机实际飞行过程中的避碰需求,提出了基于势函数和基于相对速度障碍的集群无人机避碰方法,其中基于相对速度障碍的避碰方法通过实时计算避碰速度,只依赖邻机的位置和速度信息,可有效避免传统集群无人机为每架无人机规划轨迹的不足,集群无人机的避碰通过无人机期望速度的实时优化得到。而传统基于势函数的避碰方法与基于干扰补偿的有限时间姿态控制器结合,也可以消除势函数存在的一些固有限制。最后对协同控制器和避碰与避障算法的有效性进行综合数值仿真验证并进行对比分析。

关键词：集群无人机避碰避障轨迹规划安全飞行区域干扰补偿相对速度障碍

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适用于集群无人机的自组网安全分簇算法

山东大学学报（理学版） 2018年第7期53卷 51-59页

作者：崔朝阳孙甲琦徐松艳蒋鑫北京遥测技术研究所北京100094

集群无人机自组网的节点数量多、移动速度快,适合采用分簇的网络拓扑结构,而安全的分簇算法是簇结构自组网安全性的重要基础。分析了集群无人机自组网的特点和其对安全分簇算法的需求,提出了一种适用于集群无人机自组网的安全分簇算法,... 详细信息

集群无人机自组网的节点数量多、移动速度快,适合采用分簇的网络拓扑结构,而安全的分簇算法是簇结构自组网安全性的重要基础。分析了集群无人机自组网的特点和其对安全分簇算法的需求,提出了一种适用于集群无人机自组网的安全分簇算法,该算法结合使用密码机制和信任机制来保证网络分簇过程中的信息安全并且选出可信度较高的簇首,分析证明了其具有较高的安全性和可行性。

关键词：集群无人机自组网分簇算法无线网络安全密码机制信任机制

一种适用于集群无人机超分辨的波束域方位估计算法

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雷达科学与技术 2024年第3期22卷 300-305,320页

作者：周清晨李晓萌沈显照许明明中国电子科技集团公司第三十八研究所安徽合肥230088 保利科技有限公司北京100010

为了提升对集群无人机目标的分辨能力,提出了一种波束域方位超分辨估计算法。该方法不仅可以避免传统的稀疏表示类测角方法的计算复杂度高和需要选取超参数问题,而且在单快拍数、入射信号空间角度间隔较小等非理想情况下都具备很好的分... 详细信息

为了提升对集群无人机目标的分辨能力,提出了一种波束域方位超分辨估计算法。该方法不仅可以避免传统的稀疏表示类测角方法的计算复杂度高和需要选取超参数问题,而且在单快拍数、入射信号空间角度间隔较小等非理想情况下都具备很好的分辨能力,与相控阵雷达波束形成、距离-多普勒域处理的流程相适配。通过仿真试验,可以说明:该方法可以帮助雷达提前将密集目标分辨开,进而实现对于集群的规模(个数)、轮廓等信息进行准确估计,具有很强的应用价值。

关键词：集群无人机波束域波达方向估计单快拍数超分辨

风扰和故障条件下集群无人机强化学习自适应容错协同控制

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厦门大学学报（自然科学版） 2022年第6期61卷 943-953页

作者：余自权程月华张友民姜斌南京航空航天大学自动化学院江苏南京210016 加拿大康考迪亚大学机械、工业与航空工程系蒙特利尔H3G 1M8

针对集群无人机编队协同运动过程中遭遇风扰与执行器故障的问题,提出了一种基于强化学习的自适应容错协同控制算法.首先,考虑无人机编队过程中风扰与故障的影响,建立面向控制的模型;其次,基于个体无人机跟踪偏差,构建可同时调节跟踪性... 详细信息

针对集群无人机编队协同运动过程中遭遇风扰与执行器故障的问题,提出了一种基于强化学习的自适应容错协同控制算法.首先,考虑无人机编队过程中风扰与故障的影响,建立面向控制的模型;其次,基于个体无人机跟踪偏差,构建可同时调节跟踪性能与同步性能的分布式同步跟踪偏差;然后,设计强化学习中的Actor-Critic神经网络,引入分数阶微积分算子,提出强化学习分数阶自适应容错协同控制器.最后,通过Lyapunov稳定性分析与仿真验证,检验所设计控制器的可行性和有效性.

关键词：集群无人机风扰故障强化学习容错协同控制

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带宽受限的集群无人机位姿分布式融合估计器

电光与控制 2020年第4期27卷 1-5页

作者：赵国荣刘伯彦赵超轮高超海军航空大学山东烟台264001

为解决集群无人机位姿估计过程中无线通信网络发生的信道拥堵、数据碰撞等网络现象,提出一种带宽受限下的分布式融合估计器。利用传输中介节点部分分量的降维策略,在给定分量选择矩阵和权重矩阵的前提下,建立以滤波增益为决策变量、所... 详细信息

为解决集群无人机位姿估计过程中无线通信网络发生的信道拥堵、数据碰撞等网络现象,提出一种带宽受限下的分布式融合估计器。利用传输中介节点部分分量的降维策略,在给定分量选择矩阵和权重矩阵的前提下,建立以滤波增益为决策变量、所有无人机有限时域下状态估计误差协方差阵的迹之和为代价函数的优化方案,并通过最小化代价函数上界获得一组次优的滤波增益,实现了集群无人机位姿递推估计。仿真结果表明,该分布式融合估计能较好地跟踪状态真值;分量选择矩阵和权重矩阵会影响融合估计精度,通过搜索分量选择矩阵的组合,可以获得最优融合估计精度;另外,中介状态估计的权重分布越均匀,融合估计精度越高。

关键词：带宽限制集群无人机位姿估计分布式融合估计