Децентрализованное групповое нелинейное управление строем беспилотных летательных аппаратов самолетного типа

Предлагается метод управления группой автономных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) самолетного типа для формирования и поддержания строя в полете с заранее заданными относительными расстояниями между аппаратами. Рассмотренный подход обеспечивает построение и дальнейшее сохранение любой выбранной геометрической формы строя при выходе на прямолинейную траекторию с заданным курсом при произвольных начальных положениях БПЛА. Отличительной особенностью предлагаемого метода является учет нелинейной структуры системы "автопилот—летательный аппарат", проявляющейся как в существовании ограничений на входные команды автопилота, так и в неголономной динамике аппарата. Кроме того, благодаря децентрализации обеспечивается возможность неограниченной масштабируемости строя. При этом принимается во внимание необходимость и со- хранения минимальной скорости полета БПЛА не ниже скорости сваливания, и получения конечной скорости строя, равной крейсерской скорости данного типа аппаратов. Синтезированные с помощью прямого метода Ляпунова не- линейные законы группового управления основаны на архитектуре взаимодействия изначально разработанного для линейных агентов децентрализованного консенсуса, в котором предполагается, что каждый аппарат взаимодействует только с соседними с ним аппаратами. Доказана асимптотическая устойчивость в целом для предлагаемых законов управления, вследствие чего БПЛА могут иметь любые положения в пространстве в начальный момент работы алгоритмов формирования строя. Таким образом, законами управления определяется неоднородное векторное поле следования пути для каждого из аппаратов, норма вектора которого в каждой точке пространства полета группы БПЛА задает команду скорости, а направление — команду курсового угла. Качество переходных траекторий в процессе формирования строя может быть изменено с помощью настраиваемых коэффициентов, входящих в состав законов управления. Работоспособность и эффективность предложенного подхода была проверена в среде MATLAB/ Simulink с использованием реалистичных нелинейных моделей БПЛА с 12 состояниями и 6 степенями свободы. Моделирование полета группы из четырех БПЛА показало успешное построение заданной геометрической формы строя и ее поддержание в процессе дальнейшего полета.

1. Maza I., Ollero A., Casado E., Scarlatti D. Classification of multi-UAV architectures. In: K. P. Valavanis, G. J. Vachtsevanos (Eds.), Handbook of unmanned aerial vehicles. Dordrecht; Heidelberg; New York; London: Springer, 2015. P. 953—975.

2. Нестеров В. А., Кадыров Я. Р. Управление группой беспилотных летательных аппаратов в режиме радиомолчания // Мехатроника, автоматизация, управление. 2016. № 6. С. 419—425.

3. Chang K., Xia Y., Huang K. UAV formation control design with obstacle avoidance in dynamic three-dimensional environment // SpringerPlus. 2016. Vol. 5 (1). P. 1124.

4. Ren W., Beard R. W., Atkins E. M. A survey of consensus problems in multi-agent coordination // Proceedings of the IEEE American Control Conference. 2005. P. 1859—1864.

5. Yamaguchi H., Arai T., Beni G. A distributed control scheme for multiple robotic vehicles to make group formations // Robotics and autonomous systems. 2001. Vol. 36 (4). P. 125—147.

6. Ren W., Chen Y. Q. Leaderless formation control for multiple autonomous vehicles // AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit. 2006. P. 6069.

7. Elkaim G. H., Kelbley R. J. A lightweight formation control methodology for a swarm of non-holonomic vehicles // IEEE Aerospace Conference. 2006. P. 1—8.

8. Barnes L., Fields M. A., Valavanis K. Unmanned ground vehicle swarm formation control using potential fields // IEEE Mediterranean Conference on Control & Automation. 2007. P. 1—8.

9. Nakai K., Uchiyama K. Vector fields for UAV guidance using potential function method for formation flight // AIAA Guidance, Navigation and Control (GNC) Conference. 2013. P. 4626.

10. Garcia R., Barnes L. Multi-UAV simulator utilizing XPlane // Journal of Intelligent and Robotic Systems. 2010. Vol. 57. P. 393—406.

11. Мунасыпов Р.А., Муслимов Т. З. Групповое управление беспилотными летательными аппаратами на основе метода пространства относительных состояний // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. № 2. С. 120—125.

12. How J. P., Frazzoli E., Chowdhary G. V. Linear flight control techniques for unmanned aerial vehicles. In: K. P. Valavanis, G. J. Vachtsevanos (Eds.), Handbook of unmanned aerial vehicles. Dordrecht; Heidelberg; New York; London: Springer, 2015. P. 529—574.

13. Ren W., Beard R. W. Trajectory tracking for unmanned air vehicles with velocity and heading rate constraints // IEEE Transactions on Control Systems Technology. Vol. 12 (5). 2004. P. 707—716.

14. Nelson D. R., Barber D. B., McLain T. W., Beard R. W. Vector field path following for miniature air vehicles // IEEE Transactions on Robotics. 2007. Vol. 23 (3). P. 519—529.