其他
【新书推荐】《多飞行器协同控制理论及应用》
背 景
21世纪以来，随着嵌入式计算和通信能力的快速提升，多飞行器系统的相关研究得到蓬勃发展。相比于单个飞行器，分布式体系的多飞行器系统具有很多明显的优点，例如：具有分布式的感知与执行机构，以及内在的并行处理能力；具有较大的冗余性，比单飞行器有更好的容错性和鲁棒性，能够更有效地完成单飞行器较难完成或不能完成的任务；具有较高的经济性，单个性能优良的飞行器成本往往比同样性能的多飞行器系统高。多飞行器协同控制理论是多飞行器系统的核心技术理论，它结合传统控制理论和计算机图论相关知识，通过“一致性算法”对单个飞行器进行控制，实现多个飞行器的群体特性。典型多飞行器系统的应用场景如图1所示。
图1 无人机蜂群作战系统
积分器系统是线性系统中最为直观的一类系统。单积分系统是通过改变速度来控制位置，而双积分器系统不仅考虑位置变化，还考虑速度变化，更具有实际意义。基于现代控制理论，可以对多飞行器系统建立更为通用的数学模型，包括通用线性系统模型和非线性系统模型。从积分器系统到通用系统，都可以基于协同控制理论设计一致性算法并进行收敛性分析。图2(a)为有向通信拓扑图，可以用来描述系统间个体通信关系；图2(b)为典型二阶积分器系统的一致性算法。
图2 多无人机一致性算法
多飞行器系统执行任务过程中，往往需要满足多种指标，例如控制消耗最小、一致性成本最低、安全编队等。构造关于一致性、控制成本和避障等代价函数，可以将控制的成本消耗问题、一致性问题和避障问题统一到最优控制的框架中共同解决（图3），基于逆最优控制算法可以实现多飞行器系统考虑避障功能的状态优化。
图3 无人机避障与最优一致性算法
具有负虚频率响应特性的系统，称为负虚系统。研究发现部分飞行器系统满足负虚系统属性，因此可以采用负虚系统理论解决多飞行器系统在外部干扰和模型不确定影响下的鲁棒输出一致性问题(图4)。
图4 网络化的负虚系统
为了实现一致性控制，各个飞行器之间需要相互传输信息，而传输过程需要花费时间，故通信时延、环境干扰、测量噪声是不可避免的（图5）。人们早已认识到解决时延和干扰的重要性，一些基于预估器反馈的方法可以用来时延造成的影响进行补偿，从而保证系统在时延作用下的稳定性。
图5 带输入延时的多无人机编队
四旋翼机械臂系统将飞行器的机动性与机器臂的操纵性有机结合，使得无人机的操控性大大提升。由于机械臂动力学与四旋翼飞行器动力学耦合，整个系统的控制器设计需要综合考虑。将四旋翼飞行器和机械臂统一建模，在此基础上设计包括位置控制器、姿态控制器和机械臂控制器的完全分布式控制方案，并且通过人工势能函数方法实现相互避撞。如图6为带机械臂无人机协同搬运木块的试验及仿真场景。
图6 无人机协同搬运
多弹协同打击可以利用群体优势对敌方防御体系和目标进行多层次、全方位的饱和打击，如图7所示。其中关键技术为协同制导技术，多枚导弹无需预先设定攻击时间，而是在飞行过程中通过弹群之间的信息交互和变量协同来实现攻击时间协同。
图7 多弹协同攻击
内容简介
本书主要包括三部分：第一部分为多飞行器系统的背景和研究现状，讲述了四旋翼无人机、无人直升机、固定翼无人机和导弹这四种飞行器数学模型、矩阵理论与图论的基础知识；第二部分为协同控制理论，主要包括积分器系统、一般通用系统的一致性算法和具有最优、鲁棒、抗时延和抗干扰特性的协同控制算法；第三部分为协同控制应用，主要包括协同控制理论在四旋翼机械臂系统协同搬运及组装中的应用、在无人直升机和固定翼无人机编队保持和避障中的应用、飞行器架数较多时集群控制的应用，最后将协同控制理论算法应用到多导弹协同制导问题上。
本书可用于本科生或硕士生教学，本科生也可在学习矩阵论和现代控制理论以后，结合参考文献自学本书知识。
目录
▲上下滑动查看更多
精彩内容试读
购买链接
复制内容₴3wpG1zqlhE5₴打开淘宝购买
作者简介
王佳楠，工学博士，北京理工大学宇航学院副教授、博士生导师，主要从事多飞行器协同控制理论及应用研究，讲授本科生全英文课程Multi-agent Cooperative Control、研究生全英文课程Cooperative Control Theory and Application of Multiple Flight Vehicles。美国航空航天协会高级会员，美国电气电子工程师协会高级会员，中国自动化学会导航、制导与控制专委会、无人飞行器自主控制专委会委员，中国指挥与控制学会集群智能与协同控制专委会委员。担任SCIE刊源Unmanned Systems期刊副主编，北京理工大学学报英文版编委，多次任IEEE控制领域国际会议副主编及特邀组主席，已发表学术论文 80 余篇，出版英文专著1部。
王春彦，博士，北京理工大学宇航学院特别研究员，博士毕业于英国曼彻斯特大学，IEEE会员，多家国际学术期刊及会议审稿人，主要从事多智能体协同控制理论与应用领域研究，已在IEEE会刊等国际著名期刊和国际会议上发表学术论文40余篇，其中SCI期刊论文20篇，1篇论文入选ESI高被引论文，出版英文专著1部。
王丹丹，北京理工大学博士后，博士毕业于天津大学自动化与信息工程学院。主要从多无人机分布式编队控制、脉冲切换时滞系统和随机切换系统稳定性分析等研究，已发表学术论文20余篇，其中SCI期刊论文12篇，2篇论文入选ESI高被引论文。
祁振强，中国运载火箭技术研究院研究发展部副部长，国防973项目总体组组长，国家国防科技工业局国防基础科研计划信息与控制专家组专家。曾获得国家技术发明一等奖、国防技术发明二等奖、军队科技进步二等奖等科技奖项7项，获颁首次探月工程有功人员奖章。在国内外期刊上发表学术论文30余篇，其中SCI、EI收录15篇；获得授权专利33项。
单家元，工学博士，北京理工大学宇航学院教授、博士生导师，航空宇航科学与技术飞行动力学与控制方向负责人，某空军装备型号副总设计师及某军贸型号副总设计师。主要从事系统仿真、飞行动力学与控制方面的教学和科研工作。曾获国家二等奖1项，国防一等奖1项，三等奖2项，出版《系统建模与仿真》《系统仿真》《半实物仿真》等教材，在国内外重要学术刊物发表论文90余篇。
同类书推荐
扫一扫关注“星际科航”
↓点击阅读原文可购买本书