基于集群智能的無人機協同控制系統分析

張鳴陽 章凡 尹浩霖

【摘 要】近年來，無人機的集群控制越來越受到研究人員的重視，本文分析了無人機的數學模型，采用了雙閉環PD算法設計主從雙機無人機集群控制算法，由于雙閉環PD系統的良好的魯棒性，克服了無人機的欠驅動特性，在仿真過程中，發現對于位置和姿態的控制有著良好的穩定性和動態特性。

【關鍵詞】集群智能；無人機；算法

中圖分類號： TP18；TP3 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0121-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.055

【Abstract】In recent years，the cluster control of UAVs has received more and more attention from researchers.This paper analyzes the mathematical model of UAVs and adopts the double closed-loop PD algorithm to design the master-slave UAV cluster control algorithm.The good robustness of the double closed-loop PD system overcomes the under-driving characteristics of the drone.During the simulation，it is found that the position and attitude control has good stability and dynamic characteristics.

【Key words】Cluster intelligence；Drone；Algorithm

0 前言

無人機是人們通過無線通訊設備和自動控制裝置通訊控制不載人的飛機。英文簡稱UAV，最早在20世紀20年代出現，因其具備的獨特功能性和世界科學技術的發展，無人機被廣泛應用。無人機集群控制是近年來新興的科技產業，無人機集群控制是通過群控算法在各個無人機相互通訊的情況下，由兩個或多個無人機針對任務要求，保持某種姿態隊形進行飛行，通過算法控制多架無人機協同飛行的技術。基于集群控制的無人機機群有著諸多的優勢，包括：飛行耗能低，任務執行率高，高效率等。由于無人機飛行算法的不斷完善和小型民用無人機的發展，越來越多的人開始研究無人機集群用于舞臺燈光表演。

1 無人機集群原理

采用主從雙機跟隨式系統來模擬群控無人機系統，現實中群控大多為三機或以上，設計采用一主機其余全為從機的群控系統，主機通過通訊模塊向地面站反饋位置信息，地面站將主機的位置信息和控制信息全部發送給從機，從機根據主機的位置信息和控制信息調整位置姿態。鑒于從機特性的一致，本文采用主從雙機群控系統來模擬大型集群控制系統。在無人機機群燈光表演過程中，對于無人機機群的位置精度要求很高，在集群動態飛行時對于姿態的精度要求很高，像上文提到的西安市無人機集群燈光表演秀，要求每個無人機的位置固定，在集群調度時保證井然有序。這就使得對無人機的控制系統要求很高，由于無人機機群密集程度，還要要求位置系統和姿態系統的超調量、調節時間等參數盡量小，因為要保證無人機在飛行中的穩定，如果超調量大或者調節時間過大，飛行不穩定的無人機會影響到集群中的其它個體，鏈式反應就會影響整個機群，嚴重時還會導致傷亡事故。所以本文在設計系統時更加注重控制系統的超調量和調節時間，并且保證系統的抗干擾能力的突出，在后文的仿真中作者采用許多強擾動去干擾系統，并對控制參數不斷調整，實現了良好的控制效果。

假設在集群控制的主從系統中，主機位置確定，地面站向所有從機發送主機位置，并要求所有從機的位置距主機達到一個指定距離。我們假設控制目標：

針對X軸方向的位置系統，我們根據上述PID公式設計PD控制器。

根據赫爾維茲穩定判據可得，當系統穩定時，kpy>0，kdy+K2/m>0我們取kpy=5，kdy=5。

同理推得y軸z軸

2 無人機集群解決方案

2.1 雙閉環P-D系統

采用雙閉環P-D系統，當主從集群無人機中的主機或者地面站給從機發送指令信號后，從機無人機的姿態和位置會迅速收斂達到穩定值，不會在群控飛行中發生碰撞。在有限的干擾情況下，位置控制系統仍然能夠克服擾動并迅速達到穩定，體現了該系統的魯棒性和可行性。在仿真中可以看到，無論是是否存在干擾，雙閉環PD系統都能夠很好的克服超調量和穩態誤差的問題，超調量、穩態誤差和調節時間在無人機群控中都有很高的要求，雙閉環PD系統可以很好的達到零超調量和零穩態誤差，調節時間也非常短。

2.2 微分器的設計

使用微分器對信號進行微分是PID控制領域中的關鍵一環，尤其是PD控制和PID控制，因為控制器需要誤差信號的微分，包括各種補償控制都需要對變量進行求一階導、二階導甚至高階導。那么微分器的計算速度便極大的影響了控制器的工作速度，從而影響系統的穩定性。

在集群系統中，我們需要對外環輸出的信號求一次導和二次導，所以采用有限時間收斂的三階微分器

該微分器的自身估值特性，可以對非連續函數進行求導，因此我們不需要信號是連續函數。

【參考文獻】

[1]廖衛中.小型四旋翼無人機控制系統設計與實現：[碩士學位論文].天津大學，2015.

[2]朱戰霞，鄭莉莉.無人機編隊飛行控制器設計.飛行力學，2007，25（4）：22-24.

[3]牧彬，趙曉蓓，黃勇.無人機編隊飛行控制器設計與仿真.計算機仿真，2014，31（2）：65-68.

[4]鄧婉，王新民，王曉燕等.無人機編隊隊形保持變換控制器設計.計算機仿真，2011，28（10）：73-77.